PCB设计流程及要点

PCB的设计就是将设计的电路在一块板上实现。一块PCB上不但要包含所有必需的电路，而且还应该具有合适的元件选择、元件的信号速度、材料、温度范围、电源的电压范围以及制造公差等信息，一块设计出来的PCB必须能够制造出来，所以PCB的设计除了满足功能要求外，还要求满足制造工艺要求以及装配要求。为了有效地实现这些设计目标，我们需要遵循一定的设计过程和规范。

图1-9所示为一个完整PCB项目设计的基本流程，包含了从设计功能要求开始直到产品的制造以及文档的形成的整个过程。这个过程充分利用计算机辅助工具，从而可以确保设计的顺利进行。

（1）产生设计要求和规范。通常，一个新的设计要从新的系统规范和功能要求开始。产生了设计的系统规范和功能要求等说明后，就可以进行功能分析，并且产生成本目标、开发计划、开发成本、需要应用的相关技术以及各种必须的要求。例如，一个电动机控制系统的开发项目，它的设计要求和规范可能包括控制电动机的类型[永磁同步电动机（PMSM）]、电动机的功率（100W）、电压和电流的要求（24V，5A）、控制精度要求、平均无故障时间（MTBF）、通信接口的要求、应用环境等。这些设计规范将是整个设计的起点，后续的设计过程将严格满足这些规范要求。

（2）生成系统的组成结构框图。一旦获得了系统的设计规范，那么就可以产生为实现该系统所要求的主要功能的结构框图。这个系统组成的结构框图描述了所设计的系统是如何进行功能分解的，以及各个功能模块之间的关系如何。

（3）将系统按实现的功能分解到各个PCB。主要功能确定后，就可以按照可应用的技术，将实现的电路分解到PCB模块中，在一个PCB中的功能必须可以有效地实现。各个PCB之间可以通过数据总线或其他通信模式进行连接。很多情况下，是通过背板上的总线将各个子PCB连接起来，如PLC系统的背板和数据采集子卡之间的连接，再如计算机的主板和内存条、显示驱动、硬盘控制器以及PCMCIA（个人计算机存储卡接口适配器）卡的接口。

（4）绘制PCB的原理图。根据各个PCB的功能模块，绘制PCB实现的原理图，从而在原理上实现其功能。在这个过程中，需要选择PCB实现所需要的合适元件以及元件之间的连接方式。

（5）创建PCB设计所需的元件库。在设计PCB时，必须选择具有电气特性的元件，用来实现线路的连接。通常需要根据自己的设计要求，创建PCB设计所需要的元件库。这些元件库需要包含以下属性：

1）封装类型，如DIP、SOP、QEP等。

图1-9 PCB项目的设计流程

2）元件的尺寸、引脚的大小、引脚间距以及引脚序号。

3）定义引脚的功能，如输入、输出或电源引脚等。

4）每个引脚的电气属性，如容性、输出阻抗等。(www.xing528.com)

（6）对原理图进行仿真。目前，电子设计自动化（EDA）工具软件一般都具有仿真功能，最常用的仿真模型是基于SPICE软件实现的。对于设计的原理图进行仿真是PCB设计的重要一步，它有助于发现设计中存在的问题，以便及时修正，提高设计效率和产品的开发速度，也可以降低设计成本。只有当仿真结果符合设计要求时，才可以进入PCB的设计和布线环节。

（7）确定PCB的尺寸和结构。确定了原理图的仿真符合要求后，就可以规划PCB了。可以根据电路的复杂度和成本要求，确定PCB的大小。PCB的大小和层数也有关系。增加板层可以更容易地实现复杂电路的布线，从而减小PCB的尺寸。但是，板层的增加会增加板的成本。因此，设计人员要折中考虑，如果PCB的信号要求比较高，而且线路复杂，则可以考虑多层板。如果线路不复杂，则可以使用双面板。具体设计时，应该参考多层板和双面板的成本，以及板的尺寸等对制造成本的影响。

（8）将元件布置到PCB上。在确定了PCB的尺寸和结构后，就可以将元件布置到PCB上，并且加载相关的电气连接信息，即网络表。将元件布置到PCB上是一个非常重要的过程，它关系到后续的PCB布线能否成功。在放置元件时，应该尽可能将具有相互关系的元件靠近；数字电路和模拟电路应该分放在不同的区域；对发热的元件应该进行散热处理；对敏感信号应该避免产生干扰或被干扰，如时钟信号，引线应尽可能短，所以要靠近其连接的芯片。可以使用软件工具的自动放置功能，然后进行手动调整以完成元件的放置操作。

（9）确定PCB的设计布线规则。在PCB布线前，应该确定布线的规则，如信号线之间的距离、走线宽度、信号线的拐角、走线的最长长度等规则的设置。PCB的布线规则最终会影响布线的成功以及走线的电气特性，是一个非常重要的步骤。

（10）对PCB进行布线。通常的做法是先手动对重要的信号进行布线，以及对电源和地进行走线，然后将预布的线锁定，再使用软件工具的自动布线功能对剩下的PCB连接进行自动布线，最后对没有布通的少数走线可以手动处理。

（11）设计规则检查和调整PCB。在完成了布线后，还需要对布线后的PCB进行设计规则检查，看布线是否符合所定义的设计规则的电气要求。根据检查的结果可以手动调整PCB的走线。

（12）时序和信号完整性分析。一个优秀的PCB设计，其时序应该满足设计要求。为了检查信号的时序以及信号的完整性，需要对布线后的PCB进行时序分析和信号完整性分析。对于时序分析，我们通常对一个关键信号的时序和信号完整性进行分析，如总线、时钟等信号。

（13）生成制造文件和产品数据文件。根据制造的要求，生成制造文件和产品数据文件，如NC钻孔文件、Gerber光绘文件以及元件报表等。

（14）PCB的制造和装配。完成上述步骤后，PCB就进入制造过程，使设计完整地表现在一块实际的PCB上，包括所有的信号连线、封装及层等。然后就可以将芯片焊接装配到PCB上，这样就完成了PCB的设计和制造。

（15）PCB产品的测试。最后根据设计规范，对PCB进行现场测试，以便评估设计是否达到设计规范要求。

以上是PCB设计的一般过程，在通常的设计中，我们都可以遵循这个设计流程。但是随着EDA软件的快速发展，虚拟的设计环境将来可能在软件平台中实现，那么这就可以更加有效地实现设计的仿真以及信号的虚拟分析，有助于设计的成功实现及产品的快速开发。