线路板设计介绍和基础

2020-03-22

我们周围都是电子设备。这些设备有些微妙，而另一些吸引了很多注意力。但是，无论该设备是用于静默监视您的健康的设备，还是智能手机会不断干扰您的烦恼，它们的核心都是某种印刷线路板设计。

自第二次世界大战以来，印刷线路板设计被开发用于军事用途。一旦将该技术发布用于商业用途，电子制造商便迅速采用了该技术，因为它提供了比传统的点对点电子产品更具成本效益的解决方案。 

多年来，线路板设计制造不断增长，以适应更新，更快，更复杂的电子电路的不断增长的需求。如何创建PCB来完成所需的工作是可以填补一个库的主题，但是我们将在此处为您提供设计印刷线路板设计的基本知识。

什么是印刷线路板设计？

印刷线路板设计是一种刚性结构，其中包含由称为迹线的嵌入式金属线和称为平面的较大金属区域组成的电路。将电子组件焊接到板的顶层，底层或两层上的金属焊盘上。这些焊盘连接到板电路，允许组件互连在一起。该板可以由单层电路，顶部和底部的电路或堆叠在一起的多层电路组成。 

线路板设计由导电性能差的介电芯材料制成，以使电路传输尽可能纯净，然后根据需要与其他金属和介电层隔开。用于线路板设计的标准介电材料是玻璃纤维编织布和环氧树脂的阻燃复合材料，称为FR-4，而电路的金属走线和平面通常由铜组成。

印刷线路板设计有多种用途。您可以在玩具或控制器中找到简单的线路板设计，而在计算机和电信中则使用更高一级线路板设计。 

有些板是用挠性材料制成的，因此允许它们在需要它们围绕设备其他功能部件弯曲的独特情况和外壳中使用。有些板由于工作在高频率下而用特殊的材料制成，而另一些板中则有厚厚的铜层，用于工业控制面板和其他类似应用中的高功率电路。 

有些板是为极端环境而设计的，例如地下传感器或汽车的发动机舱。专用线路板设计用于航空，航天和军事应用，对它们的制造和性能施加严格的公差。

尽管印刷线路板设计有许多不同的应用，但是它们通常是按照通用过程进行设计的。这就是我们接下来要研究的内容。 

印刷线路板设计设计过程

要构建物理线路板设计，您必须首先设计它，这是使用PCB设计CAD工具完成的。PCB设计分为两个主要类别：原理图捕获以在图中创建电路连接，然后PCB布局以设计实际的物理线路板设计。

第一步是开发设计所需的库CAD零件。这将包括原理图符号，仿真模型，PCB布局的占位面积以及3D印刷线路板设计显示器的台阶模型。一旦库准备就绪，下一步就是在原理图上创建电路的逻辑表示。CAD工具用于将符号放置在原理图图纸上，然后将它们连接在一起以形成电路。 

同时，进行电路仿真以验证设计是否可以按预期的方式进行电气工作。完成这些任务后，原理图工具会将其连接性数据发送到布局工具。

在PCB设计的布局方面，接收原理图连通性并将其作为将两个或多个组件引脚连接在一起的网络进行处理。在屏幕上显示出预期的线路板设计形状轮廓后，布局设计人员会将组件的封装放置在正确的位置。一旦对这些组件进行了更佳组织，下一步就是通过绘制引脚之间的走线和平面将网络连接到引脚。CAD工具将具有内置的设计规则，这些规则可防止一个网的痕迹接触另一个网，并控制完整设计所需的许多其他宽度和空间。布线完成后，设计工具将再次用于创建制造图纸以及制造商将用于构建线路板设计的输出文件。

线路板设计的设计和制造是一个逐步的过程：原理图创建和仿真，设置PCB设计网格和DRC，组件放置，PCB布线，电源平面，最后组装BOM和构建线路板设计。接下来，我们将在这些步骤中更深入地研究。 

如何逐步制作印刷线路板设计

尽管印刷线路板设计组件的设计和制造可以概括为原理图捕获，PCB布局以及线路板设计的制造和组装，但每个步骤的细节都非常复杂。我们将在这里查看这些步骤中每个步骤的一些更具体方面。

使用原理图符号识别电子元件的原理图创建

在可以使用CAD工具进行线路板设计设计之前，必须确保首先具有要使用的库零件。对于原理图，这意味着为要使用的零件创建逻辑符号。电阻器，电容器，电感器，连接器和集成电路（IC）。这些零件准备就绪后，您就可以开始在CAD工具中的原理图图纸上进行组织。将零件粗略放置后，即可绘制原理图符号引脚之间的连接线。这些线称为网络，它们可以表示单个网络，或用于存储器或数据电路的网络组。在原理图捕获过程中，您可以根据需要移动零件和网络以更好地创建所需的电路。如果您愿意，请阅读本手册以了解有关原理图符号的更多信息。请在此处查看有关原理图捕获过程的更多信息

将SPICE与演示电路和网表一起使用以模拟电路

在原理图上组织好零件和电路网之后，下一步就是验证绘制的电路是否可以按照您打算的方式工作。为了验证这一点，您将在带有集成电路增强功能的仿真程序中对电路进行仿真，该工具也称为SPICE。这些工具使PCB工程师可以在构建实际硬件之前测试其设计的电路。这样，他们可以节省时间和金钱，使这些工具成为PCB设计过程中必不可少的部分。 PCB设计网格，用于布线验证程序的DRC和其他CAD工具设置

PCB设计人员使用的设计工具具有许多不同的功能。其中包括建立设计规则和约束的能力，这些规则和约束将使您避免接触不应该连接的网络，并保持距不同对象的正确距离。您还可以使用其他许多辅助工具，例如设计网格，可以帮助您以整齐有序的方式放置组件和布线。  

精确的元件放置布局以实现好的性能

正确设置设计数据库，并且已从原理图导入网络连接信息，就可以开始线路板设计的物理布局了。此处的第一步是将组件占位面积放置在CAD系统的线路板设计轮廓内。每个封装都会将网络连接显示为“橡皮筋”图像，以向您显示它们所连接的部分。您需要考虑这些零件的连接，过热和电噪声的区域以及其他物理障碍物（例如连接器，电缆和安装硬件）的影响，以使其达到更好性能。您还需要放置组件，以便制造商更好地组装它们。

正确的PCB布线角度将使您的电路连接在一起

放置好组件后（尽管可以根据需要移动它们），是时候将网络连接在一起了。这可以通过将橡皮筋网连接转换为绘制的迹线和平面来完成。您的CAD工具将具有许多使您能够做到这一点的功能，其中包括一些可以节省大量时间的自动路由功能。但是，在布线时必须格外小心，以确保网对于它们传导的信号而言正确的长度，并确保它们不会穿过过多的噪声区域。这可能会导致串扰或其他信号完整性问题，从而降低内置板的性能。

 电源和地平面，良好的PCB返回电流路径的重要性

通常，板上的每个有源组件（IC和其他相关组件）都需要连接到电源和接地网络。这可以通过用实心平面淹没这些组件可以进入的区域或层来轻松实现。但是设计电源平面和接地平面并不像看起来那样简单。这些平面在返回由走线路由的信号方面也起着重要的作用。如果这些平面上有太多孔，切口或裂口，则可能导致这些返回路径产生大量噪声并降低PCB的性能。

 使用工具进行制造成本估算以及制造和装配图创建

完成组件放置，走线布线以及电源和接地平面后，您的PCB设计几乎完成。下一步是对其进行最终规则检查，并设置将在外部图层上进行丝网印刷的不同文本和标记。这将帮助其他人找到组件，并在板子上贴上名称，日期和版权信息。同时，您将创建在制造期间将用于制造和装配最终板的工程图。PCB设计人员还将使用他们的工具来估算构建线路板设计的成本，这样以后就不会感到惊讶了。

 

有关准备用于制造的PCB设计的更多信息，您可以在此处阅读有关制造成本估算和生成制造图的步骤。

构建线路板设计：多层PCB制造工艺和PCB焊接工艺

至此，该板已准备就绪，第一步是将输出数据文件发送到制造设施。此过程包括将所有迹线和平面蚀刻到不同的金属层上，然后将它们全部压缩在一起，从而形成可以组装的裸板。在组装工厂，线路板设计上装有所需的组件，然后根据所用组件的类型进行不同的焊接过程。此后，将对线路板设计进行检查和测试，然后将最终产品运送回给您。

它采用更高质量的PCB设计工具来创建高质量的PCB设计

印刷线路板设计的制造和组装过程是精确且苛刻的。要构建线路板设计以使其电路提供所需的性能，就意味着制造商需要精确的设计数据来进行工作。您使用的PCB设计工具不仅需要这种复杂性和精确度，而且还必须具有创建复杂设计所需的特性和功能。这包括帮助您路由高速电路的复杂走线的特殊功能，以及可以轻松设置用于特定区域间隙的设计规则。它还包括拥有可用的仿真工具，以简化原理图捕获过程，并提供大量可使用的库部件。

好消息是，当今市场上已经有您可以使用的PCB设计工具可以处理我们一直在谈论的这种级别的设计专业知识。具有Cadence 的PCB设计系统的示例具有我们在此讨论的所有特性和功能。OrCAD PCB Designer具有工具和功能，可以将您的设计从概念到最终制造文件，都可以为您提供专业的帮助。使用CAD，您可以访问库，原理图捕获和SPICE工具以及所需的所有PCB布局功能。

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