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1、电子CADProtel 电路设计,任 富 民 编 著,电子教案,第11章,U盘PCB板设计,本章学习目标,本章以制作U盘PCB板为例，介绍SMT多层板的制作技巧和编辑修改方法，以达到以下学习目标： 理解多层板的含义，掌握多层板的创建方法。 理解内电层的含义，内电层的属性设置和分割方法 掌握常用SMT元件的引脚封装。 掌握SMT元件引脚封装的制作方法。 掌握手工修改导线的常用方法。,11.1 确定和添加元件封装,因为U盘体积非常小巧，电路板面积很小，所以电路板中的元件绝大部分采用SMD元件，以节省电路板面积。根据前面章节的介绍，并结合元件的实际外形和管脚排列情况，而且部分元件还参考了元件供应商提
2、供的技术和封装参数，确定合适的元件封装如表所示。,数码抢答器元件封装表,1. 确定AT1201的封装,2. 确定IC1114的封装,3. 确定存储器K9F0BDUDB的封装,存储器U3的封装TSSO12X20-G48/P.5,11.1.2自制元件封装,USB接口J1的外形和引脚封装,写保护开关SW1的外形和引脚封装,晶体振荡器Y1的外形和封装,11.1.3 添加元件引脚封装,U盘所需的封装库,2. 利用全局修改为各类元件添加封装,由于U盘元件很多，而且大部分元件的封装都采用贴片封装形式，而不是采用原原理图元件中的默认封装，所以如果采用逐个修改的方法，工作量将会很大，可以采取全局修改的方法。下面
3、以全局修改电阻的封装为例。,全局修改电阻的封装,（1）将光标移到U盘原理图中的任意一个电阻上，单击鼠标右键，在弹出的对话框中选菜单 ，弹出如图所示的查找相似对象对话框，在【Resistor】项后选择【Same】，表示将选中图纸中所有的电阻。,查找所有电阻,修改电阻封装,可以看到图纸中所有电阻均处于选中状态，此时点击工作区右下方的【Inspect】按钮，弹出如图所示的Inspect面板，将【Current Footprint】栏修改为“C10050402”，按回车键确认输入。,11.2 新建PCB文件并绘制电路板边框,根据设计的要求和U盘外壳的限制，确定电路的长、高尺寸。经过分析，确定本电路板长
4、、高参考尺寸为：4515mm，并且受外壳固定柱的限制，中间有一个半径为1mm的半圆形的缺口，便于该电路板固定于U盘外壳中，如图所示。,11.2.1 利用向导制作U盘PCB板,单击【File】标签，将出现文件操作栏，选择【PCB Board Wizards 】，将出现如图所示的PCB板向导欢迎界面。,尺寸单位选择对话框,PCB板类型选择对话框,PCB板用户自定义对话框,自动完成单位转换,适当减小禁止布线框离电路板边框的距离,信号层、内电源层选择对话框,过孔类型选择对话框,元件类型选择对话框,导线、过孔、安全间距设置对话框,PCB板向导完成对话框,PCB板向导完成的电路板,修改尺寸标注显示单位,修
5、改后的尺寸标注,11.2.2 手工修改PCB板轮廓,11.3.1 载入元件引脚封装,11.3.2 设置内电层的网络属性,1. 如图所示，执行【Design】/【Layer Stack Manager】，弹出如下页图所示的层堆栈管理器对话框。,层堆栈管理器对话框,修改内电层1的网络属性,双击层堆栈管理器对话框中的【Internal Plane1】层，弹出如图所示的层属性对话框，在【Net name】下拉列表框中选“VCC”，将该层作为电源VCC内电层。,设置好网络属性的内电层,11.4 多层板元件布局调整,元件载入PCB板后，就可以根据元件的布局规律进行布局，由于U盘电路板面积小元件多，元件密度
6、很高，所以在布局前，必须仔细规划好元件的布局方案，U盘布局是否合理是整个项目的关键，它关系到U盘电路板布线是否成功以及整个电路的稳定性，因为本项目采用四层板，布线已经不是我们关注的首要问题。,11.4.1 确定布局方案,在高密度电路板中，是否需要双面放置元件是设计者首先要考虑的问题。一般情况下，如果在顶层能够完成元件的布局，尽量不要将元件放置在底层，因为一方面会提高电路板的设计难度和成本，另一方面也会增加元件装配的工序和难度。但对于U盘电路板而言，如果直接将元件放置在顶层，由于电路板太小，部分元件连放置的位置都没有，所以必须采取双面放置元件的办法。仔细分析原理图可以知道，U盘主要由以U2（IC
7、1114）为核心的控制器电路和以U3（K9F0BDUDB）组成。所以可以考虑将二部分电路分别放置在顶层和底层，具体将U3（K9F0BDUDB）为核心的存储器电路放置在顶层元件面，而将U2（IC1114）为核心的控制器电路放置在底层的焊接面。,11.4.2 设置布局参数,1. 修改图纸参数 执行菜单命令【Design】/【Options】，将弹出如图所示的PCB图纸选项，将光标移动栅格【Snap Grid】和元件栅格【Component Grid】均修改为5mil，并将电气栅格【Electrical Grid】修改为5mil。,修改PCB图纸参数,2. 修改元件安全间距,由于电路板面积太小，元件
8、的安全间距可以设置得更小一些，从而使元件可以排列得更紧密一些，如可以将其修改到步距5mil以下，。 执行菜单命令【Design】/【Rules】，弹出PCB板规则对话框，双击【Placement】选项，再双击【Component Clearance】选项后，选中【Component Clearance】选项，如图所示，在右边的规则栏中将【Gap】栏修改为3mil。,修改元件安全间距,11.4.3 具体布局,根据布局原则，先确定相对于元件外壳，插孔位置等有定位元件的位置。本项目中有定位要求的元件有二个，一个是写保护开关SW1，它必须与外壳的写保护开关孔对准，并且开关的拨动手柄必须向外。另一个为发
9、光二极管LED1，它必须与外壳的小孔对准。,（1）确定写保护开关SW1的位置， 测量外壳写保护开关孔的尺寸，确定SW1的第2焊盘的定位尺寸如图所示。,（2）将开关SW1的第2焊盘放置到指定位置,（3）锁定SW1的位置,锁定元件,放置发光二极管LED1的位置,2. 修改元件标注的尺寸大小,从图中可以看到，元件标注的尺寸太大，占了太多的面积，必须修改元件标注的尺寸大小。 （1）将光标移到标注LED1上，单击鼠标右键，在弹出的对话框中选菜单，弹出所示的查找相似对象对话框，在【Designator】项后选择【Same】，表示将选中图纸中所有的元件编号。,(3)此时点击工作区右下方的【Inspect】按
10、钮，弹出如图所示的Inspect面板，将【Text Heigh】字符高度栏修改为原来的一半，即“30mil”，将【Text Width】文字线条宽度修改为“5mil”，按回车键确认输入。,3. 确定顶层核心元件的位置,4. 确定电源模块的布局,依据下图所示的电源原理图，确定电源部分的布局关系如下页图所示。同时也将写保护电路的电阻R24放置在SW1的右边，将LED1的限流电阻R11和电容C25也一并放置到图纸中。,4. 确定电源模块的布局,5. 确定底层元件的布局,显示底层丝印层,（2）放置底层关键元件U2,先在顶层放置好元件U2,将元件U2翻转到底层焊锡面,放置底层其它元件,11.5.1 内电
11、层分割,多层板与双面板不同的地方在于多了内电层，内电层一般用于接地和接电源，使PCB板中大量的接地或接电源引脚不必再在顶层或底层走线，而可以直接（直插式元件）或就近通过过孔(贴片元件)接到内电层，极大地减少了顶层和底层的布线密度，有利于其它网络的布线。 但有时一个系统中可能存在多个电源和地，如常见的+5V、+12V、-12V、-5V等电源，而接地网络也有电源地，信号地，模拟地、数字地之分，如果再采用一个电源或接地网络对应一个内电层的方法，势必导致内电层的数目太多，电路板的制作成本成倍增加。此时可以采取内电层分割的办法，将一个内电层分割为几个部分，将某个电源或接地网络引脚比较密集的区域划分给该网
12、络，而将另一个区域划分给其它电源或接地网络。,1. 将当前层转换为内电层1【Internal Plane 1】。,2. 隐藏其它无关层。 由前面的布局可知，与VUSB网络连接的元件全部位于顶层，为了更好的进行区域划分，可以将底层信号层和底层丝印层全部关闭，使底层元件暂时不显示，并将图纸放大并显示与VUSB网络连接的焊盘区域。,3. 分割内电层。 选择画直线工具，沿着包含VUSB焊盘的区域画出一个封闭区域，如图所示。,4. 修改分割后的内电层网络属性。双击封闭区域中被分割出来的内电层，弹出如图所示的内电层属性对话框，将其连接到【VUSB】网络。,11.5.2 USB连接插头J1焊盘属性修改,US
13、B连接插头J1连接固定支架的0号焊盘，由于原理图中没有引脚与其对应，一般希望其接地，以提高电路的抗干扰能力，所以必须将J1的二个0号焊盘属性修改为“GND”，以便自动布线时自动与内电层GND相连。如图所示。,11.6 多层板自动布线,11.6.1 设置多层板布线参数 执行【Design】/【Rules】菜单命令，设置各项参数。其中最关键的参数有安全间距【Clearance】，布线层面【Routing Layers】和导线宽度【Width Constraint】，其它参数采用默认值即可。,1. 设置安全间距,安全间距指不同网络的导线与焊盘之间的最小距离，它的设置可以避免导线之间以及导线与焊盘之间
14、距离太小而短路或大火，但它的大小同时也决定了走线的难度和导线的布通率。在U盘中，供电电压很低，我们主要关心的是保证导线的布通率，所以将安全间距设置为4mil，如图所示。,设置安全间距,设置双面板的布线层,导线规则设置,3. 设置过孔尺寸,4.设置SMT焊盘拐角距离,11.6.2 多层板自动布线,执行菜单命令【Auto Route】/【All】菜单命令，将弹出如图所示的自动布线策略选择对话框对话框，选用【Via Miser】选项，表示将采用具有建议性最小过孔限制的多层板布线策略进行布线，点击【Route All】 按钮，PCB板编辑器开始自动布线,U盘自动布线结果,元件引脚与内电层的连接方式,直
15、插式元件引脚直接与内电层相连,贴片元件引脚通过过孔与内电层相连,11.7 手工修改多层板导线和覆铜,U盘PCB板中自动布线完成后，有的导线弯曲过多，绕行过远，必须进行修改，修改一般采取先修改绕行弯曲现象比较明显的长导线，然后再微调其它局部需要调整的短导线。,1. 顶层导线分析,利用前面介绍的方法，暂时将底层信号层和丝印层，以及顶层丝印层隐藏起来，使工作区主要显示顶层导线，如图 所示，可以明显的看到有一处导线绕行过远。,该导线绕行过远,2. 分析底层导线,将顶层信号层和丝印层，以及底层丝印层隐藏起来，使工作区主要显示底层导线，如图11.65所示，也可以明显的看到有一处导线绕行过远。,该导线绕行过
16、远,11.7.2 修改底层导线,由于导线修改时必须综合考虑到二个信号层导线的走线情况，所以将底层和顶层信号层均显示，而将底层和顶层丝印层全隐藏。,1. 撤销原导线,先执行菜单命令【Tools】/【Un-Route】/【Connection】，出现十字光标，对准要撤销的导线，点击鼠标左键即可撤销原导线，如图所示。,撤销导线后留下的飞线,2. 规划新导线的路径，并对其它导线作必要的修改,先修改底层要修改的导线，该导线之所以绕行过远，是因为底层中有导线挡住了其连通的路径，必须将其调整，如图所示。,需调整的过孔,需调整的导线,调整过孔的位置,调整好位置的过孔,调整导线的位置,调整好位置的导线,3. 绘制新导线，并添加必要的过孔,绘制底层导线,添加的过孔,
