PCB Design Tutorial by David L.Jones

只看该作者 · 2014-1-25 00:34

本帖最后由 TataJen 于 2014-1-25 00:42 编辑

一篇比较全面的PCB设计指导**，之前看到某个吧友未翻译完，在这给补充完吧，每日更新几页。英文原版附件下载。有不对的地方希望指正，英语水平有限哈。

引言

你已经设计好了电路，或者面包板上的一个正在工作的模型，现在是时候把它做成一个漂亮的PCB设计了。对于一些设计者，PCB设计会是一个自然而且容易扩展到设计过程。但是对于很多人来说PCB的设计和布局过程是一个令人生畏的任务，即使是一些非常有经验的电路设计者对于PCB的设计也是知之甚少，因此这就留给了所谓专家的专业PCB设计者，许多公司甚至有他们自己的专用的PCB设计设备，这并不令人吃惊，考虑到需要经常去耗费大量的知识和人力去把数以百计的元器件还有数以千计的错综复杂的线路设计出来并且满足所有的物理和电气要求。适当的PCB设计经常是设计不可分割的一部分，在许多设计（高速数字电路设计，超低功耗设计和射频等等）PCB布局可以使或打破的设计的操作和电气性能。我们必须记住PCB布线是有寄生电阻，电感，电容效应的。就像你的电路一样。

这篇**是送给那些想要获得PCB设计秘密的人。它给了一些建议和规则，让你如何用一个专业的方式去设计布局布线你的PCB。不管怎样，尝试着去教PCB设计是很困难的。但也有一些基本的规则和好的实践去遵循的。除了PCB设计是一个具有高度创造性和个体的过程。就像去教一些人如何画画一样。每个人有他自己的独特见解。虽然有些人可能没有创造性的天赋。

事实上，许多PCB设计者喜欢把PCB布局看成一项艺术工作。用它是否看起来美观，是否工作的好来承认它的美和优雅。

过去

在电脑出现以前的CAD日子里，PCB的设计和布局都是用手工粘贴在干净的图纸文件上的。许多时间都是无精打采的花费在荧光屏的盒子上，剪切，放置，撕毁，还有手动布线，象形文字，拉突然激光印字传输系统，还有黄油笔可能会唤起人们喜欢或不喜欢的回忆，那些日子已经不在回来了，随着用电脑去代替之前PCB设计。电脑可以大大的提高效率。

PCB 封装

有许多可以方便利用的PCB设计封装在市场中，而且很多都是免费，共享或者局部受限的完整版。Protel在澳大利亚是实际上的行业标准。专业人士使用昂贵的高端99se和dxp基于windows的安装包。业余爱好者使用基于DOS的元器件封装AUTOTrax计划，曾几何时，也是高端方案的选择在澳大利亚让人困惑的是，现在又有另外一个基于windows的元器件封装软件也叫AutoTrax EDA.,但他和Protel软件一点关系也没有。

这篇**没有注重任何一个软件包的使用，所以这些信息可以被应用到几乎任何PCB封装设计软件中。然而有一个明显的例外，用一个不支持原理图设计能力的软件去做PCB设计，大大限制了你所能做的最元器件封装的专业领域里，许多后来描述的更先进的技术需要访问一个兼容的原理图编辑器程序，这将会在需要的时候解释。

标准

几乎在PCB设计的任何一个方面都有行业的标准，这些标准被之前的研究所和电子电路封装所控制，就像大家都知道的IPC。在PCB的每个方面包括设计，制作，测试任何你需要的都有一个IPC行业标准，主要的覆盖pcb设计的文档说明是IPC——2221，通用标准板级印刷设计中。

每个国家都有他们自己的不同的PCB设计和制作的标准，但是IPC确实世界都通用的。

原理图

在你布出PCB之前，你必须做一个完整的并且精确的原理图检查diagram。许多人直接去做PCB只是在脑子里有一个电路图，或者很随意的画下没有引脚号和顺序的原理图。这完全是不对的，如果你没有一个清晰的原理图那么你的PCB将很可能是一团乱麻，并且浪费甚至两倍以上的时间。

输入和输出经常被引用的，同样也适用于PCB设计，PCB是原理图的手工制成版本，因此PCB很自然的会受原理图的影响。如果你的原理图很整洁，条理分明清晰的摆在那里，那么你的PCB设计将会是一件很容易的事。良好的实践将信号从输入左侧流向输入右侧。设计者会用他们喜欢的方法把重要的电路正确的画的PCB板上，像旁路电容的意思一样，原理图上少量的提示对于布局的人是很有帮助的。例如：这个引脚需要较宽的走线连接到地信号线上，提前让布局的人知道那些地方需要采取什么的措施。即使是你自己设计的电路画的电路图，在你布局的时候不仅仅会提醒你自己，而且很方便为其他人回过头来检查这个设计。

原理图在PCB设计中应当被画下来。在原理图方面细节性的要求超出了这篇**讨论的范围，这需要一篇完整的**来介绍原理图。

只看该作者 · 2014-1-25 21:27

纸张尺寸和度量单位
关于PCB设计最先应该了解的是使用什么计量单位以及它们的一般术语，因为它们会非常令人费解。正如任何一个资深的PCB设计师会告诉你的一样，在设计PCB时你应该总是使用英制单位（比如英寸）。这不仅是为了怀旧，即便那是个主要的原因。大多数的电子元件是（并且仍将是）用英制的管脚间距制造的。因此没有必要固执地拒绝使用公制以外的任何单位，公制将使电路板布局非常困难和零乱。如果你很年轻，是在公制年代长大的，那么你最好开始学习什么是英寸以及如何进行转换。关于PCB设计的一句古老的格言是：“thou shall use thous”（注2）。有点令人困惑，除非你知道什么是“thou”。1“thou”是1/1000英寸，且被PCB设计人员和制造商普遍使用和认可。因此开始练习用“10 thou 的间距”和“25 thou 的格点”说话，你立刻就听起来像个行家！现在你理解了什么是thou，我们将引出工作中的另一个术语“mil”（或“mils”）。1“mil”与1 thou完全相同，注意不要与跟“mil”同音的millimeter（mm）混淆。术语“mil”从1 thou来，等于1 mili inch。一般的规则是避免使用“mil”而**使用“thou”，当你试图向使用公制的非PCB设计人员解释PCB尺寸时不会引起混淆。一些PCB设计人员会告诉你不要对于任何与PCB设计有关的东西使用公制的毫米。然而在现实世界中，你将不得不同时使用英制（thou）和公制（mm）。那么何种情况下使用何种单位呢？通常的原则是将thou用于走线、焊盘、间距以及格点，这些是你基本的“设计和布局”需求。仅仅将mm用于“机械和制造”之类的需求，比如孔径和板子尺寸。你会发现许多PCB制造商也遵循这些基本的准则，当他们要求你提供订单的详细情况时。绝大多数制造商使用公制的钻孔尺寸，因此指定英制尺寸的孔径的确会使生产达不到预期并且容易导致错误。让问题更加混乱的是，有许多器件（一个例子是新型的表贴元件）有着公制管脚间距和尺寸。因此你将不得不经常用公制的格点和焊盘来设计一些器件的封装。许多器件手册也会有公制的尺寸，即便（管脚）间距被设计成适合英制的格点。如果你在一个器件中看到一个“怪异的”公制尺寸比如1.27mm，你能非常肯定实际上它有个对等的精确的整数英制尺寸。在这个例子里1.27mm是50thou。是的，PCB设计可以是令人困惑的！因此无论如何在PCB设计中不得不做的是你需要成为一个英制到公制，反之亦然，转换的专家。但是为了使事情变得容易些，所有主要的PCB设计软件包都有一个单独的“热键”在英制和公制单位之间立即进行转换（例如Protel中的“Q”）。如果你记住一些关键转换，比如 100 thou (0.1 inch) = 2.54 mm，以及 200 thou (0.2 inch) = 5.08 mm 等等，会大有帮助。100 thou 及更大的值通常用inch来表示而不是thou。因此0.2 inch比200 thou更常用。1英寸也通常被认为是1“孔距”。因此常常会听到“0.1英寸孔距”之类的表述，或者更简单，“0.1孔距”，假定以英寸为单位。这在器件的管脚间距中经常用到。100 thou是关乎PCB设计方方面面的基本“参考点”，大量的常用器件的管脚间距是这个基本单位的倍数或分数。50和200 thou是最常用的。随着世界其它地区，IPC标准已经全部公制化了，仅仅偶尔会引用到英制单位。但是PCB业界还没有真正地转变。旧的习惯是很难消亡的，并且英制仍然在实际使用中占据统治地位。

注1：这句话出自计算机工业，意思是你不能指望计算机有正确的输出，如果你给出一个很糟糕的输入。直观的理解就是你送垃圾进去，出来的也必将是垃圾。不过翻译成中文实在是太难了。
注2：这里第一个“thou”是古英语中的“you”，第二个“thou”是PCB设计中的常用单位th，也就是mil，1 th = 1 mil = 0.001 inch。那么连起来就是“你应该使用mil”。
对于栅格点
第二个重要的PCB设计规则，也是初学者漏掉的，用固定的栅格点去布局。这又被称为捕捉栅格点，像你鼠标，器件还有走线都会以固定的栅格点移动。并不是任何距离的栅格点都是适合的，那样的会让情况变得更糟。100thou是一个最基本的标准的过孔距离。50thou是一个通用的走线与过孔的距离约束。为了更好的工作，你可能会用25thou间距或更小。许多设计者也许会争论20跟25thou那个更好。事实上，25thou更好一些，因为那刚好是50thou通孔间距的一半。
为什么一个网格间距是如此的重要。一个重要原因是它能让你的元器件整洁，匀称更美观。它不仅仅匀称，对于以后随着布局的尺寸和复杂性的增长，它会让你更加方便的编辑拖拽移动对齐你的轨迹器件组件。
一个不好的或者业余的PCB设计很容易被人出来，就像许多连线没有精确的连接到焊盘的中心。很多小的补丁线被放置在电路图中，这就是不会使用栅格点的结果。
好的PCB布局实践会以50thou的简略的栅格距离开始，并且会用逐步精进的栅格距离来设计如果板子的空间比较小的话。有时会用25thou来走线用10thou来摆放元器件当需要的时候。百分之99的板子都是这样做的。确保你选择的网格是合适的即使打破了你100thou的标准，或者用50，25，20，10，或5thou.不要用其他值，否则你会后悔的。
一个好的PCB封装会有热键或可编程的宏键来帮助你在不同的栅格距离之间进行方便的转换。当你需要经常这样做的时候。
在制作PCB封装的时候有两种类型的栅格，一种是之前已经讨论的一种可见网络。即屏幕上实的或虚的线或点。他们是以背景的方式出现在你的设计中以方便你把器件和线对准起来。你可以把捕捉栅格点和可见的栅格点设置为不同的单位，这是非常有用的。许多设计者非常愿意把可视栅格点设置为100thou间距大小并且很少愿意改变他。
一些工程还有一些电气栅格点。这种栅格点是看不到的，但是他能让你的光标定位到像焊盘走线等电气元件的中心，当光标靠近到足够的距离的时候。这对于手动布局，编辑移动器件是非常有用的。
最后还有一种器件的栅格点。类似于捕捉栅格点，但是仅仅用于器件移动。这允许你调整器件用不同的网络。确保你的捕捉栅格点多元化。
当你首次布板的时候，捕捉栅格点感觉有点有趣，可以让你以想要的栅格点去移动。与一般的大家都熟悉的通常的封装类型不同。这些很容易被熟悉，并且你的PCB设计离简洁和专业将会更进一步。
从顶层开始设置
PCB设计一直都是从顶层开始设计，看透不同的层就像他们不存在一样。大部分PCB封装都是这样工作的。只有当你制作或检查目的的时候才会从板的底部观察板。这种透板的方法意味着你必须学会适应阅读文本在底部层的镜像。要去适应他。

只看该作者 · 2014-1-26 19:55

线路

没有一个推荐的标准的线路尺寸。用什么线路尺寸布线依据你设计的电气要求，你已有的比较手头方便利用的布线间距和间隙约束还有你自己的个人爱好。每一个设计可能会有一个不同的电气要求可能是线路与板之间的不同。但最基本最关键的就是尽可能的让线路尺寸更宽，作为一个最通用的规则就是线路尺寸越宽越好。较宽的线路有较低的直流电阻效应，较低的电感，对于制作商来说会更简单更省钱，对于检查和返工也会更容易。

线路宽度的下限取决于PCB制作商的间隙分辨率能力。例如一个制造商可能应用一个10/8的线路/间隙图。这意味着线路宽度不能比10thou更窄，并且线路的间距不能低于8thou.。这些图一直引用thou作为线路宽度，其次是间距。

事实上对于基本的PCB板典型的约束是10/10和8/8。IPC推荐的标准4thou是一个较低的极限，一旦你把线路间距设置为6thou或者更低，你有严重的业务问题，你应当首先为你的制造商考虑。越低的线路宽度间距，就需要制造商更加小心的去矫正腐蚀板子。而这种成本最终还是会转嫁给你，因此在满足你需要的情况下不要把间距设置的过于低。作为一个指南，PCB激光打印还有板抵抗板照片专业的生产制作技术可以很容易的分辨10/10甚至8/8间距。

仅仅因为一个制作商能实现一个确定的间距，它没有理由因为你的设计而去挑战极限。使用尽可能跟踪/间距大,除非你的设计参数要求小。

作为一个开始，你或者会说喜欢用25thou作为信号线宽度，50thou做为电源或者地线。10-15thou作为IC芯片和器件引脚焊盘的间距。有些人喜欢像10-15thou窄的信号线宽度的外观，同样有些人喜欢他们所有的走线宽度都比较宽厚实。好的设计经验是让线路尽可能的宽，只有在被要求的地方为了满足设计要求才会变细。

事实上，你的线路宽度受通过它的电流的影响还有你的线路能够容忍的最大温度。不要忘了每一个线路都会有一定数值大小的电阻效应，因此线路会被看作一个散热电阻。线路越宽电阻值越小。PCB板上铜皮的厚度也会起到一定的作用，就像任何涂层都有其用处。

铜皮的厚度在PCB中名义上最常见的是盎司每平方英尺1盎司铜，你也可以要求不同的铜皮厚度0.5 2 4盎司，较厚的铜皮层对于大电流和高可靠性是很有帮助的。

想要精确计算出线路的宽度根据电流和能承受最高温度是很复杂的，他们也可以不是很精确，标准是基于半个世纪前测量的数据得来的一组非线性图形。这些仍被应用在IPC标准里。

一个方便的计算轨道宽度的程序可以在下载，可以依据IPC图表给出计算结果。

作为一个设计法则，在你的线路设计中10摄氏度是一个很好的安全限制设计。这里给出了一个方便的参考表格，对应一定的电流温度上升10摄氏度时线路宽度应该是多少。