【电赛新兵训练营 】电子工程训练基础知识讲座_第18课时_绘制PCB进阶操作

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查看: 724回复: 84 发表于 2020-5-20 10:00:06   只看该作者
本课将学习以下知识点:

(1)Gloss平滑处理。
(2)添加泪滴。
(3)实心填充。
(4)过孔缝合/屏蔽。
(5)分割平面层。
(6)ROOM的作用。
(7)丝印标注。
(8)规则检查DRC( Design Rules Check )。

1、Gloss平滑处理
如图1所示的导线排列冗长且产生了锐角,手动修正这些导线费事费力,AD中提供Gloss平滑处理功能可以解决这类问题。

image001.png
图1 需平滑处理的导线

(1)如图2所示为避免选中不需要的板层元件,按L调出板层设置,只显示top layer。

image002.png
图2 修改板层显示为仅显示TopLayer

(2)如图3的步骤1、2、3所示,先鼠标框选中待平滑导线(选中部分线段就行),然后按Tab扩展选中到完整导线。

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图3 选中待平滑的所有导线

(3)如图4所示,点击Route->Gloss Selected,就实现了对选中导线的平滑处理。

image004.png
图4 对选中电线进行平滑处理

2、添加泪滴
在PCB绘制完成后(在敷铜前),进行添加泪滴操作(Teardrops),可以保护焊盘,避免焊接时焊盘的脱落;平滑阻抗,减少阻抗的急剧跳变。
(1)如图5所示,点击Tool->Teardrops,打开泪滴面板。
(2)在泪滴面板左侧有增加泪滴还是清除泪滴的选项,AD中泪滴实际是弧形导线,虽然手动也可以逐一选中修改,但是还是建议用Teardrops面板统一操作。
(3)在泪滴面板右侧展示了4种添加泪滴的情况,可以按需要进行配置。第一种是针插焊盘与导线连接处;第二种是贴片焊盘与导线连接处;第三种是导线变径处;第四种是导线的T型连接处。

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图5 泪滴配置面板

(4)Teardrops面板点击OK即可添加泪滴效果,如图6所示。

image006.png
图6 泪滴效果

3、实心填充
对于大电流走线,例如电源类PCB,常常使用实心填充来取代普通导线。如图7所示为DCDC电源芯片TPS63020的官方说明书推荐PCB布局。下面我们以此为例,来说明实心填充布线的方法。

image007.png
图7 电源芯片TPS63020的PCB布线官方建议

(1)如图8所示电路已按布局建议完成了大部分的布线,还有左上方的地线没有布线。

image008.png
图8 半成品的电源PCB

(2)如图9的步骤1、2、3所示,先点击Place->Solid Region激活块铜功能,然后在PCB中按箭头方向画出闭合线段,最后得到所需的块状铜“导线”。

image009.png
图9 绘制块铜操作

(3)块铜的电气属性默认与重叠的电气点一致,双击块铜可修改电气属性。如果块铜覆盖区域内有多个电气点,那么就会变绿报错。
此外,与敷铜层类似,块铜的边角也可以用45°角代替90°角来避免成为“天线”。图7的推荐PCB布局图对块铜的角就做了平滑处理。
4、过孔缝合
如图10所示的推荐PCB布局中,只画出了单面布局,实际一般PCB还有底面,本例中底面是整面的GND铜皮。中间绿色框部分是电源芯片封装自带的散热过孔,直接与底面的GND铜皮连接,帮助散热。在PCB上还有4个红框所示的via区域,也与底面GND相连,以减小GND回路阻抗,并提高散热能力。

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图10 电源PCB的过孔

在电源类的电路板中,在上下板层密布大电流路径的过孔是常见设计,纯手动放置这么多过孔是比较枯燥繁琐的操作。AD中的过孔缝合,可以自动在上下块铜之间自动打满过孔,堪称又快又好。

(1)如图11所示,计划在芯片上方漏斗状的块铜位置打满过孔,点击Tools -> Via Stitching / Shielding->Add Stitching to Net。

image011.png
图11 打开过孔缝合功能

(2)如图12所示的过孔缝合配置界面中,箭头所示的“Stagger alternate rows”功能,可以切换过孔的排列是整齐排列还是错位排列。以普通贯穿顶层和底层的过孔为例,需要配置过孔直径Diameter(0.6mm)、过孔的孔径Hole Size(0.3mm)、过孔阵列之间的间隔Grid(0.7mm)、过孔的电气属性Net(PGND)。

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图12 过孔缝合配置界面

(3)点击图12左上角的Constrain Area,进入过孔区域绘制。如图13箭头所示,用鼠标绘制闭合线段,切换回配置界面,点击OK。

image013.png
图13 绘制过孔缝合区域

(4)如图14所示,过孔缝合功能会根据配置选项,在指定区域内自动尽可能多的打上过孔,本例为13个过孔。

image014.png
图14 过孔缝合效果

5、过孔屏蔽
我们都知道传输高频信号的同轴电缆,是用外层接地金属层包围内部信号,以实现双向屏蔽的效果,如图15所示。而PCB电路板上用地包围敏感信号,也有类似效果。AD提供信号线过孔屏蔽(包地)功能,可以用via地包围信号线,实现保护屏蔽。

image015.png
图15 同轴电缆结构

(1)如图16虚线所示的是USB的D+和D-信号线,在它们的两侧已经进行了敷铜处理。现在希望把顶层的地铜和底层的地铜之间打上过孔,更好的屏蔽两根信号线。点击Tools -> Via Stitching / Shielding->Add Shielding to Net。

image016.png
图16 需要屏蔽的高速信号线

(2)如图17所示,在Add Shield to Net配置界面里,首先也是要配置好过孔的各种大小、间距,然后选择要屏蔽的Net(D+),用来屏蔽的Net(GND)。虽然一般都是用GND进行屏蔽,但是电路中可能会有多种地,数字地、模拟地、功率地等等,所以还是需要具体选择GND的种类。点击确认后,自动得到了18个via屏蔽D+信号。

17.jpg
图17 屏蔽D+的设置

(3)如图18所示,重复Tools -> Via Stitching / Shielding->Add Shielding to Net。其余参数不变,仅需把要屏蔽的Net改为D-,点击确认后,就得到了15个via屏蔽D-信号。

18.jpg
图18 屏蔽D-的设置

(4)如图19所示为整体的Via屏蔽效果,除了无法打接地过孔的区域,沿着D+和D-已经打上了屏蔽Via。

image021.png
图19 整体的Via屏蔽效果图

6、增加平面层
下面将讲解多层板的绘制方法。中间信号层的使用方法与Top Layer信号层和Bottom Layer信号层并无区别,所以我们在图20所示双面板工程PHY1的基础上,仅增加一个地平面层和一个电源平面层。

image022.png
图20 PHY1双面板PCB工程

(1)如图21所示,点击Design->Layer Stack Manager,打开板层管理器。对于双层板,从上至下依次是top丝印层、top阻焊层、top信号层、绝缘层、bottom信号层、bottom阻焊层、bottom丝印层。每一层都标了材质厚度,例如Dielectric 1绝缘层,使用材质是FR-4,这就是一种最常用的电气绝缘材料--环氧树脂玻璃纤维。

image023.png
图21 双面板的层结构

(2)如图22所示,重复点击层管理器左下方的add Layer->Add Internal Plane,增加两个平面层,分别命名为GND和POWER。

image024.png
图22 增加平面层

(3)如图23所示,具有平面层的电路板,周围会自动生成粗线。图中的绿色代表平面层的铜皮没有延伸至边缘(为了绝缘)。

image025.png
图23 带平面层的多层PCB效果

(4)如图24所示为激活GND和POWER两个平面层的显示效果,淡色的绿色和棕色代表铺铜皮的地方,深色的绿色和棕色线(外框)代表划线切割(没有)铜皮的部分。

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图24 平面层的显示效果

(5)如图25所示,切换到平面层后,双击淡色区域即可编辑平面层的电气属性,分别设定为GND和3V3,作为默认未做分割的整体平面层net。

image027.png
图25 设定平面层的总体电气属性

本例中仅有一个GND,所以地平面层无需分割。下面我们来学习如何分割电源平面,总体原则是按同种电源net的分布,分割电源平面。首先可以分割显示窗口,同时显示原理图和PCB图,以观察4种电源net在PCB板上的分布情况。
(1)如图27所示,是3V3电源net在PCB上的焊盘分布。点击原理图部分的3V3电气net,在PCB区域所有3V3的焊盘就会变成白色选中状态。将来我们就是根据这些焊盘的排列来分割电源层。

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图27 3V3电源net的焊盘排列

(2)如图28所示,同样方法可以观察其余三个电源net的焊盘排列。

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图28 其余三个电源net的焊盘排列

(3)如图29所示,按相同net焊盘的提示范围,点击place->line,将3V3A的焊盘用闭合线段框起来,最后双击改变该分割平面的电气属性为3V3A。

image030.png
图29 分割3V3A电源平面

(4)如图30所示,同理画出电气属性为PWFBOUT和PWFBIN的两个分割平面层。

image031.png
图30 PWFBOUT和PWFBIN的两个分割平面层

(5)如图31所示,双击检查每一个电源分割平面层的电气属性是否都已设置正确。本例电源平面层中,经过切割出3个小块后,外加剩下最大的3V3块,一共有4个分割平面层。

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图31 检查每个分割电源层的电气属性

(6)检查分割范围,修改分割范围。如图32左所示,经检查发现箭头所示的3V3焊盘被画进3V3A的电源层区域。如图32右所示,通过增加和删除线段,将箭头所示的3V3焊盘回归3V3电源层。

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图32 “精修”3V3电源分割层

(7)如图33箭头所示,检查出PWFBOUT层也有未囊括的焊盘,同样增减线段“精修”PWFBOUT层。

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图33 “精修”PWFBOUT电源分割层

7、ROOM的作用
长久以来,我们对导入元件后的ROOM框都是一删了之,其实有些情况下ROOM是有用的。在低版本AD中,包含一些有益的范例,在Examples\Reference Designs\Multi-Channel Mixer,是一个 2层板范例,基于一堆运放的混音器,如图34所示。

image035.png
图34 AD的混音器范例

(1)如图35所示,这个工程PCB导入元件后会包含非常多元件,每个原理图产生的元件有单独的room。归属自己room的元件,一旦脱离room就会变绿报错。

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图35 多ROOM的PCB元件区

(2)如图36所示,调整各个ROM大小,先按ROOM先分割好版面,然后再排布元件布线会比较规则有序。

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图36 按ROOM排列元件

8、丝印标注
关于丝印层标注的范例,推荐AD中\Examples\Reference Designs\NanoBoard-NB3000AL工程,如图37所示。

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图37 丝印标注的范例工程

(1)如图38所示为3D视图下的丝印标注细节。

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图38 3D视图下的丝印标注细节

(2)如图39所示为对应的2D视图下的丝印标注细节。

image040.png
图39 2D视图下的丝印标注细节

(3)如图40所为不同选项时文字标注的差异显示效果。可以选择正显示还是反显示(阴阳显示),是否有外边,文字内容/字体/高度/加粗/斜边等。其中,TrueType可选字体与计算机系统里的字体种类相同,必须确保加工时板厂有这种字体,或者送交打样文件里提供相应字体。

image041.png
图40 丝印层字体显示效果

9、规则检查DRC( Design Rules Check )
在完成PCB设计之后,运行设计规则检查DRC( Design Rules Check )是非常规范且有用的功能,但是初学者很难做到DRC检查时Rule Violations 0和Warnings 0。
(1)首先,对DCR检查出的短路(含电气间隔不够),少连线等硬伤,当然得逐条修改。
(2)其次,要做到完美通过DRC,rule的设定必须科学合理,不能靠默认rule一条路走到黑。
(3)最后,如果确实没有错误,无需修改PCB,那么就改rule,或者在DRC里设置不去检查该rule。
如图41所示,点击Tools->Design Rule Check打开DCR设置面板。

image042.png
图41 打开DCR检查面板

(1)如图42所示的DCR规则检查窗口中,左侧有rule的大类,右侧有需要检查的规则子项,可以选择需要的项进行检查。

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图42 规则检查项

(2)如图43所示,故意删除了一根导线后,运行DCR检查。结果出现出两条Rule Violations,右侧的Messages窗口提示是两根导线没连,双击message,可以定位到PCB错误。

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图43 DCR所检查出的错误

(3)如图44所示,添上导线后,再次运行DCR,实现Rule Violations 0和Warnings 0。能够做到这一步并不简单,需要查看每一条冲突和警告,分析是否与设计本意相符,然后修改规则或者不去检查具体某条规则,才能最终得到双0的DCR结果。

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图44 “双0”的DCR报告

10、本课小结
本课作为AD的完结篇,介绍了PCB设计的一些“高性价比”刀法。

首先,能够入选的“刀法”必须性价比高,能够做到事半功倍,避免“无知”的情况下吃亏上当。例如平滑处理、添加泪滴、实心填充、过孔缝合和过孔屏蔽都是极其简单,但是纯手工实现又特别繁琐的操作。

其次,“刀法”还必须三言两语能够讲解明白。例如蛇形走线/等长走线的知识就没法讲解。因为读者首先要自己明白什么是蛇形走线/等长走线,为什么要采取这种走线,走线的具体参数怎么计算,然后才是怎么用AD去实现它,而这总是能网上搜到解决办法的。

经过14课的学习,PCB的设计也只能算是入了个小门,要知道AD只是帮我们实现想法的工具,“想法”怎么得来,是系统学习的成果。大家可以尝试从学习数字地、模拟地、功率地、滤波/去耦电容、单点接地这几个知识点,开始自己的系统学习电子设计之旅。




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入门很好,谢谢老师

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可以自己画板子了,nice!

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!!当当当当,学习,开搞!!!

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已学习,谢谢

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18期打卡,万用表又离我进了一步

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签到18,谢谢老师分享。

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打卡打卡,努力学习,天天向上!

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感谢老师的分享

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打卡!继续学习!

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第十八课打卡!!!

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平滑处理的技能比较实用  谢谢老师分享。

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谢谢老师!学到了很多!

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谢谢老师!
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