印制电路板（PCB）的设计步骤

　　（6）根据电原理图绘制印制电路板图的草图
　　首先要选定排版方向及确定主要元器件的位置。
　　当排版的方向确定以后，接下来首先是确定单元电路及其主要元器件，如晶体管、集成电路等的布设。然后再布设特殊元器件，最后确定对外连接的方式和位置。
　　原理图的绘制一般以信号流程及反映元器件在图中的作用为依据，因而再原理图中走线交叉现象很多，这对读图毫无影响，但在印制电路板中出现导线的交叉现象是不允许的，因此在排版中，首先要绘制单线不交叉图，可通过重新排列元器件位置与方向来解决。在较复杂的电路中，有时导线完全不交叉很困难的，这时可采用“飞线”来解决。“飞线”即是在印制电路板导线的交叉处切断一根，从板的元器件面用一根短接线连接。“飞线”过多，会影响元器件安装效率，不能算是成功之作，所以只有在迫不得以的情况下才使用。
　　3.印制电路板的布局
　　（1）整体布局
　　在进行印制电路板布局之前必须对电路原理图有深刻的理解，只有在彻底理解电路原理的基础上，才能做到正确、合理的布局。在进行布局时，要考虑到避免各级电路之间和元器件之间的相互干扰，这些干扰包括电场干扰——电容耦合干扰、磁场干扰——电感耦合干扰、高频和低频间干扰、高压和低压间干扰，还有热干扰等。在进行布局时，还要满足设计指标、符合生产加工和装配工艺的要求，要考虑到电路调试和维护维修的方便。对电路中的所用器件的电气特性和物理特征要充分了解，如元器件的额定功率、电压、电流、工作频率，元器件的物理特性，如体积、宽度、高度、外形等。印制电路板的整体布局还要考虑到整个板的重心平稳、元件疏密恰当、排列美观大方。
　　印制电路板上的元器件一般分为规则排列和不规则排列。
　　规则排列也叫整齐排列，即把元器件按一定规律或一定方向排列，这种排列由于受元器件位置和方向的限制，印制电路板导线的布线距离就长而且复杂，电路间的干扰也大，一般只在电路工作在低电压、低频（1MHz以下）的情况下使用。规则排列的优点是整齐美观，且便于进行机械化打孔及装配。
　　不规则排列也叫就近排列，由于不受元器件位置和方向的限制，按照电路的电气连接就近布局，布线距离短而简捷，电路间的干扰少，有利于减少分布参数，适合高频（30MHz以上）电路的布局。不规则排列的缺点是外观不整齐，也不便于进行机械化打孔及装配。
　　（2）元器件布局
　　对于单面印制电路板，元器件只能安装在没有印制电路的一面，元器件的引线通过安装孔焊接在印制导线的焊盘上。对于双面印制电路板，元器件也尽可能安装在板的一面，以便于加工、安装和维护。
　　在板面上的元器件应按照电原理图的顺序尽量成直线排列，并力求电路安装紧凑和密集，以缩短引线，减少分布电容，这对于高频电路尤为重要。
　　如果由于电路的特殊要求必须将整个电路分成几块进行安装，则应使每一块装配好的印制电路板成为具有独立功能的电路，以便于单独进行调试和维护。
　　为了合理地布置元器件、缩小体积和提高机械强度，可在主要的印制电路板之外再安装一块“辅助板”，将一些笨重元器件如变压器、扼流圈、大电容器、继电器等安装在辅助板上，这样有利于加工和装配。
　　布置元器件的位置时，应考虑它们之间的相互影响。元器件放置的方向应与相邻的印制导线交叉，电感器件要注意防止电磁干扰，线圈的轴线应垂直于板面，这样安装元件间的电磁干扰最小。
　　电路中有发热的元器件应放在有利于散热的位置，必要时可单独放置或加装散热片，以利于元器件本身的降温和减少对邻近元器件的影响。对大而重的元器件尽可能安置在印制电路板上靠近固定端的位置，并降低其重心，以提高整板的机械强度和耐振、耐冲击能力，以及减小印制电路板的负荷和变形。
　　（3） 印制导线的布设
　　1）地线的布设
　　①一般将公共地线布置在印制电路板的边缘，便于将印制电路板安装在机架上，也便于与机架（地）相连接。导线与印制电路板的边缘应留有一定的距离（不小于板厚），这不仅便于安装导轨和进行机械加工，而且还提高了电路的绝缘性能。
　　②在各级电路的内部，应防止因局部电流而产生的地阻抗干扰，采用一点接地是最好的办法。在电路各级间分别采取一点接地的原理示意图。但在实际布线时并不一定能绝对做到，而是尽量使它们安排在一个公共区域之内。
　　③当电路工作频率在30MHZ以上或是工作在高速开关的数字电路中，为了减少地阻抗，常采用大面积覆盖地线，这时各级的内部元器件接地也应贯彻一点接地的原则，即在一个小的区域内接地。
　　2）输入、输出端导线的布设
　　为了减小导线间的寄生耦合，在布线时要按照信号的流通顺序进行排列，电路的输入端和输出端应尽可能远离，输入端和输出端之间最好用地线隔开。由于输入端和输出端靠得过近，且输出导线过长，将会产生寄生耦合。
　　3）高频电路导线的布设
　　对于高频电路必须保证高频导线、晶体管各电极的引线、输入和输出线短而直，若线间距离较小要避免导线相互平行。高频电路应避免用外接导线跨接，若需要交叉的导线较多，最好采用双面印制电路板，将交叉的导线印制在板的两面，这样可使连接导线短而直，在双面板两面的印制线应避免互相平行，以减小导线间的寄生耦合，最好成垂直布置或斜交。
　　4）印制电路板的对外连接
　　印制电路板对外的连接有多种形式，可根据整机结构要求而确定。一般采用以下两种方法。
　　①用导线互连：将需要对外进行连接的接点，先用印制导线引到印制电路板的一端，导线应从被焊点的背面穿入焊接孔。
　　对于电路有特殊需要如连接高频高压外导线时，应在合适的位置引出，不应与其它导线一起走线，以避免相互干扰。
　　②用印制电路板接插式互连：印制电路板接插的簧片式互连，将印制电路板的一端制成插头形状，以便插入有接触簧片的插座中去。采用针孔式插头与插座的连接，在针孔式插头的两边设有固定孔与印制电路板固定，在插头上有90°弯针，其一端与印制电路板接点焊接，另一端可插入插座内。
　　5）印制连接盘
　　连接盘也叫焊盘，是指印制导线在焊接孔周围的金属部分，供外接引线焊接用。连接盘的尺寸取决于焊接孔的尺寸。焊接孔是指固定元器件引线或跨接线贯穿基板的孔。显然，焊接孔的直径应该稍大于焊接元器件的引线直径。焊接孔径的大小与工艺有关，当焊接孔径大于或等于印制电路板厚度时，可用冲孔；当焊接孔径小于印制电路板厚度时，可用钻孔。一般焊接孔的规格不宜过多。
　　连接盘的直径D应大于焊接孔内径d，一般取D=（2～3）d，为了保证焊接及结合强度。
　　连接盘的形状有不同选择，圆形连接盘用得最多，因为圆焊盘在焊接时，焊锡将自然堆焊成光滑的圆锥形，结合牢固、美观。但有时，为了增加连接盘的粘附强度，也采用正方形、椭圆形和长圆形连接盘。
　　6）印制导线
　　若焊盘与焊盘间的连线合为一体，犹如水上小岛，故称为岛形焊盘。岛形焊盘常用于元器件的不规则排列中，有利于元器件的密集和固定，并可大量减少印制导线的长度与数量。此外，焊盘与印制线合为一体后，铜箔面积加大，使焊盘和印制线的抗剥离强度大大增加。岛形焊盘多用在高频电路中，它可以减少接点和印制导线的电感，增大地线的屏蔽面积，减少接点间的寄生耦合。
　　设计印制电路板时，当元器件布局和布线初步确定后，就要具体地设计印制导线与印制电路板图形。这时必然会遇到印制线宽度、导线间距等等设计尺寸的确定以及图形的格式等问题。导线的尺寸和图形格式不能随便选择，它关系到印制电路板的总尺寸和电路性能。
　　7）定位孔的绘制与定位方法
　　①印制导线的宽度
　　一般情况下，印制导线应尽可能宽一些，这有利于承受电流和便于制造。0.05mm厚铜箔的导线宽度与允许电流和自身电阻大小的关系可以计算。
　　在决定印制导线宽度时，除需要考虑载流量外，还应注意它在板上的剥离强度以及与连接盘的协调，一般取线宽b=（1/3～2/3）D。一般的导线宽度可在0.3～2.0 mm之间，建议优先采用0.5mm、1.0mm、1.5mm、2.0mm规格，其中0.5mm导线宽度主要用于微小型化电子产品。
　　印制导线本身也具有电阻，当电流流过时将产生热量和产生电压降。印制导线的电阻在一般情况下可不予考虑，但当其作为公共地线时，为避免地线产生的电位差而引起寄生反馈时要考虑起阻值。
　　印制电路的电源线和接地线的载流量较大，因此在设计时要适当加宽，一般取1.5～2.0mm。
　　当要求印制导线的电阻和电感比较小时，可采用较宽的信号线；当要求分布电容比较小时，可采用较窄的信号线。
　　②印制导线的间距：在一般情况下，导线的间距等于导线宽度即可，但不能小于1mm，否则在焊接元器件时采用浸焊方法就有困难。对微小型化设备，最小导线间距不小于0.4mm。导线间距的选择与焊接工艺有关，采用浸焊或波峰焊时，导线间距要大一些，采用手工焊接时，导线间距适当可小一些。
　　在高压电路中，相邻导线间存在着高电位梯度，必须考虑其影响。印制导线间的击穿将导致基板表面炭化、腐蚀和破裂。在高频电路中，导线间距将影响分布电容的大小，从而影响着电路的损耗和稳定性。因此导线间距的选择要根据基板材料、工作环境、分布电容大小等因素来综合确定。最小导线间距还同印制电路板的加工方法有关，选用时就更需要综合考虑。
　　③印制导线的形状：印制导线的形状可分为平直均匀形、斜线均匀形、曲线均匀形、曲线非均匀形。如图7所示。

　　印制导线的图形除要考虑机械因素、电气因素外，还要考虑导线图形的美观大方，所以在设计印制导线的图形时，应遵循如图8所示的原则。

　　设计印制导线的图形时，应遵循原则如下：
　　①在同一印制电路板上的导线宽度（除地线外）最好一样；
　　②印制导线应走向平直，不应有急剧的弯曲和出现尖角，所有弯曲与过渡部分均须用圆弧连接；
　　③印制导线应尽可能避免有分支，如必须有分支，分支处应圆滑；
　　④印制导线尽避免长距离平行，对双面布设的印制线不能平行，应交叉布设；
　　⑤如果印制电路板面需要有大面积的铜箔，例如电路中的接地部分，则整个区域应镂空成栅状，这样在浸焊时能迅速加热，并保证涂锡均匀。栅状铜箔还能防止印制电路板受热变形，防止铜箔翘起和剥脱。
　　4.印制电路板图的计算机辅助设计
　　（1）印制电路板CAD
　　印制电路板设计直接影响到产品的质量与电气性能。随着电子工业的发展，各种类型印制电路板需求量越来越大，要求设计制造印制电路板的周期越短越好。传统的手工设计已满足不了生产上的需求，现代计算机的发展为电路原理图和印制电路板图的CAD设计提供了强有力的手段。印制电路板CAD文件实际上是载入印制电路板设计信息的文件，其文件结构如图9所示。

　　（2）CAD的操作步骤：
　　1）在CAD软件上画出电路原理图。
　　2）向计算机输入能反映出印制板布线结构的参数，包括：焊盘尺寸大小、元器件的孔径和焊盘、走线关系、印制导线宽度、最小间距、布线区域尺寸等参数。
　　3）操作计算机执行布线设计命令，则计算机可自动完成印制电路板的设计。
　　4）布线后，审查走线的合理性，并对不理想的走线进行修改。
　　5）定稿后，通过绘图机按所需比例直接绘制黑白底图。
　　6）将设计存入软盘，可以永久性保存。
　　（3）几种常用的印制电路板CAD软件
　　目前，印制电路板的设计大多使用计算机设计软件进行设计。这类软件主要有：SMARTWORK、TANGO、protel等几种。
　　用计算机将设计好的PCB图保存，提交给印制电路板的生产厂家。



原作者：机工电气