U盘PCB板设计

电子CADProtel DXP 电路设计 任任 富富 民民 编编 著著中等职业学校教学用书中等职业学校教学用书（电子技术专业）电子技术专业）电子教案电子教案 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 元件类型 元件封装 封装库 电阻R C1005-0402 Miscellaneous Devices.IntLib 无极性电容C C1005-0402 发光二极管 DSO-F2/D6.1 有极性电容 CC1608-0603 Chip Capacitor-2 Contacts.PcbLib U1（AT1201）SO-G5/Z3.6SOT 23-5 and 6 Leads.PcbLibU2（IC1114）F-QFP7X7-G48/X.3NFQFP(0.5mm Pitch,Square)-Corner Index.PcbLibU3（K9F0BDUDB）TSSO12X20-G48/P.5TSOP(0.5mm Pitch).PcbLibUSB接口J1USB自制封装库UPAN.PcbLib写保护开关SW1ZZSW晶体振荡器Y1 XTAL21.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、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（IC1114）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 1.1.修改图纸参数修改图纸参数 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 USB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绘制顶层导线 绘制顶层导线修改顶层导线 新绘制的导线修改过的导线修改过的二条导线11.7.4 连接未布通的导线，并微调其它短导线需要微调的导线未连接到内电层的焊盘 1.将贴片元件引脚连接到内电层(a)放置过孔(1）放置过孔。贴片元件引脚必须通过过孔才能连接到内电层，所以必须在引脚附近添加过孔，利用放置工具中的过孔工具，在合适位置放置一个过孔，如图所示。（2）修改过孔属性。要使过孔能连接到VCC网络，并且使过孔和内电层VCC相连，必须修改过孔的属性，如下图所示，根据过孔要连接的网络，将【Net】修改为“VCC”，根据过孔要连接的层面，将【Start Layer】开始层面修改为【Internal Plane 1】，因为内电层Internal Plane 1所接的正是“VCC”网络，将【End Layer】结束层面修改为【Bottom Layer】，因为要连接的焊盘位于底层。修改过孔属性 可以看到过孔已经通过飞线连接到VCC网络，如图所示。（3）连接导线。将当前层面转换为底层，利用交互式连线工具手工连线，如图所示。(b)修改过孔属性 (c)连接导线 2.局部微调导线 1）删除局部导线。如图所示，删除局部要修改的导线，由于导线只是局部调整，所以不必使用撤销布线命令将整条导线撤销。2）放置过孔并修改属性 手工连接导线 调整后的顶层导线 调整后的底层导线 11.7.5覆铜 为了进一步提高U盘电路板的抗干扰和导电能力，对全部电路板进行大面积的接地网络覆铜，在覆铜之前，为了加大导线与覆铜之间距离，可以执行菜单命令【Design】/【Rules】弹出PCB板规则对话框，暂时将规则中的安全间距加大为10mil，如图所示。加大安全间距 顶层覆铜效果 底层覆铜效果 本章小结 本章以制作U盘PCB板为例，讲解了多层板的含义和制作过程。重点讲解了多层板的创建，内电层属性的设置和分割，以及手工修改导线的常用方法。