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电路板设计的详细流程

发布时间 :2018-05-03 16:28 阅读 : 来源 :技术文章责任编辑 :深圳宏力捷PCB设计部
新电子产品开发的过程中,会依照电子产品功能订定规格,再依照功能规格设计电路,并依序完成电路图绘制、设计电路板、样品试作及功能验证等作业,最后才大量生产。
 
以下为电子产品在电路板设计时的开发流程:
1.  订定功能需求
企业根据开发需求,订定电子产品的功能及外观,并将相关功能规格交给电子设计工程师(E.E Enginer),将外观设计交给结构工程师,电子设计工程师可用硬体实作或软件模拟将各电路功能逐一设计完成。
 
2.  绘制电路图
电子设计工程师将电路设计完成并经确认后,开始使用电路设计软件进行整体电路图(Schematic)绘制工作,完成后再交由PCB布局工程师(PCB Layout Enginer)进行电路板的设计工作。
 
3.  设计电路板
PCB布局工程师根据电子工程师提供的电路图及实体产品设计规范,先进行零件布局,再依零件摆放位置进行电路布线,完成后即可由电路板编辑器产生电路板底片档(Gerber Files),交由电路板工厂进行样品(PCB Sample)试做,待完成后交回给电子设计工程师。
 
4.  PCBA组装测试
电子设计工程师收到电路板样品后,进行零件的PCBA组装焊接,并进行功能除错及验证,并与产品结构做PCBA组装测试,完成测试后即可大量生产。
 
整个电路板的设计流程可分为三个阶段:
第一阶段资料搜集/建立
1.  绘制电路图
绘制电路图前,因为电路图编辑器的初始设定,并非适用于每种产品,因此,会先针对作业环境作适宜的修改,例如重新设定图纸大小(Sheet Size)、图框(Sheet Border)、屏幕显示格点(Display Grid)及工作设计格点(Design Grid)距离等。
接著开始将零件从零件库(Library)取出,摆放至适当位置,如欲使用的自建的零件库,须先挂载到编辑器中。然后依原始电路图,使用连接线将零件脚位连接(如图1-7所示)。如果电路太大一张图纸放不下,会分开于数张图纸上,其中电气特性相同的脚位,会以端点连接器(Off-Page)做连结,一般会将组成同一功能的零件放在相邻区域。
图1 电路图
图1 电路图
 
2.  各类文件输出
在图纸右下方,标注电路图相关资讯,最后输出相关文件,如电路的PDF文件、BOM表(Bil Of Material ,零件列表)、Netlist(网路表)等。
 
第二阶段电路建立及布线
1.  取得电路板框资料
因为在零件布局前需先设定电路板外型及大小,所以,先取得结构工程师的产品结构图,以取得电路板框尺寸及高度限制等资料。
 
2.  电路图资料转换成电路板
电路板编辑器其操作环境初始设定未必是合适的,因此在开启电路板编辑器后,会先针对操作环境作适宜的修改,例如设定走线宽度(Trace Width)、屏幕显示格点及工作设计格点等。再根据电路图编辑器所产生的网路表(Netlist),转入至电路板编辑器中,以便取得所有零件的包装(Package)及各包装间的电器特性连接资料。电路图编辑器中零件脚位间的连接线,此时会转成使用预拉线 (Connection,或称鼠线) 连接(如图1-8所示)。
图2 零件间使用预拉线连接
图2 零件间使用预拉线连接
 
3.  电路板布局
电路板零件的摆放布局必须考虑结构大小、布线长度、美观等因素。因为产品结构是固定的,零件的位置必须先考虑与结构相互搭配的零件,如开关、音量调节的可变电阻、DC电源座等,都是必须先固定在某个位置上,然后尽量让相互连接的零件放在同一区域,最后再考虑整体的美观,可将相同零件排在一起,例如电阻、电容、LED等。图1-9为电路板零件布局完成图,其中S1、J1及U1为配合结构设计位置必须固定。
 
一般布局原则及顺序如下︰
(1) 必须固定位置的零件,如︰螺丝孔、开关、可变电阻、连接座等。
(2) 主要零件或较大型零件,如︰单晶片、变压器、继电器等。
(3) 次要零件或小型零件,如︰电晶体、电阻、电容等。
图3 电路板零件布局
图3 电路板零件布局
 
4.  电路板布线
较复杂的电路板铜箔布线,一般会先订定布线规范(Routing Constraint),可让软件在布线的过程中自动检查是否符合规范,如︰走线和走线、走线和零件、零件和零件间的间距、是否限定走线长度等。布线可分为人工布线(Manual Routing)及自动布线(Auto Routing),如下说明︰
(1) 人工布线
全部的走线均由人工一条一条布线,优点是布线最佳化,可有效的利用电路板空间,亦考虑到走线间的美观,缺点是设计时间较长,图1-10为人工布线电路板图。
图4 使用单面板做人工布线
图4 使用单面板做人工布线
 
(2) 自动布线
自动布线前必须先输入布线规范,自动布线软件再依规范做多次尝试性的布线,但自动布线尚无法做到最佳化的布线,所以,最后还是需要使用人工做修改。因自动布线大量的使用贯孔(Via),导致浪费电路板空间,专业的布线工程师较不会采用自动布线方式,图1-11 为未经人工修正之自动布线电路板图。
图5 使用双面板做自动布线
图5 使用双面板做自动布线
 
5.  设计验证(Verify Design)
由于有些电路板编辑器不会对手工布线做错误检查。所以,对于必须另外做安全间距(Clearance)验证,以检查布线结果是否符合布线规范;未接线(Connectivity)验证,以检查是否已完成所有走线。当然,对于较复杂的电路还需做其他如高速走线(High Speed)验证、导孔数量(Maximum via count)验证、电源板层(Plane)验证、测试点(Test Point)验证及电路板制造 (Fabrication)相关验证、等检查。
 
第三阶段资料汇出
电路板设计流程的最后阶段,是要做出图前的处理,如电路板文字面、底片档输出等,以下列出此阶段重点工作︰
1.  重排零件序号
电路板上文字面的零件序号(Reference Designator),是由电路图所指定的,为了方便未来的测试或维修,将零件序号依照其在电路板的位置重新排序,当然电路板编辑器会将新的零件序号传回(Back Anotation)原电路图,使电路图和电路板零件序号保持一致性。
 
2.  调整零件序号方向及位置
由于零件布局时,序号文字方向可能已随零件旋转,或是移动零件时,序号的字面遮盖到零件本体、脚位或贯孔上,必须做适当调整以利辨识。
 
3.  加入文字讯息
一般会在电路板上加入型号、设计日期、版本、公司商标、网址等文字或图形资料,这些都是和零件序号一样在文字层( Silkscren Layer )中显示。
 
4.  输出底片档
最后电路板编辑器必须产生底片档(Gerber Files),才能交由电路板制造工厂试做样品,以双面电路板为例,必须输出的底片档如下说明︰
Routing TOP        正面的走线层(可选择含板框Board Outline资料)
Routing BOTTOM   背面的走线层(可选择含板框Board Outline资料)
Silkscreen         文字丝印层
Solder Mask TOP    正面的防焊层
Solder Mask BOTTOM   背面的防焊层
NC Drill       钻孔层
 
5.  产生报表
当完成电路板后,应将相关资料以报表呈现,以便于制造生产或测试时做参考,常见报表如下︰
(1) 零件列表 (Bil Of Material Report) 
(2) 零件座标列表 (Component Location Report) 
(3) 讯号接点列表 (Net List Report) 
(4) 测试点列表 (Testpin Report)


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