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一文教你快速搞定不規(guī)則形狀的PCB設(shè)計(jì)

時(shí)間：2020-09-18 10:42:57
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[導(dǎo)讀]我們預(yù)想中的完整 PCB 通常都是規(guī)整的矩形形狀。雖然大多數(shù)設(shè)計(jì)確實(shí)是矩形的，但是很多設(shè)計(jì)都需要不規(guī)則形狀的電路板，而這類(lèi)形狀往往不太容易設(shè)計(jì)。本文介紹了如何設(shè)計(jì)不規(guī)則形狀的 PCB。


我們預(yù)想中的完整 PCB 通常都是規(guī)整的矩形形狀。雖然大多數(shù)設(shè)計(jì)確實(shí)是矩形的，但是很多設(shè)計(jì)都需要不規(guī)則形狀的電路板，而這類(lèi)形狀往往不太容易設(shè)計(jì)。本文介紹了如何設(shè)計(jì)不規(guī)則形狀的 PCB。

如今，PCB 的尺寸在不斷縮小，而電路板中的功能也越來(lái)越多，再加上時(shí)鐘速度的提高，設(shè)計(jì)也就變得愈加復(fù)雜了。那么，讓我們來(lái)看看該如何處理形狀更為復(fù)雜的電路板。

如圖1所示，簡(jiǎn)單 PCI 電路板外形可以很容易地在大多數(shù) EDA Layout 工具中進(jìn)行創(chuàng)建。

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圖 1：常見(jiàn) PCI 電路板的外形。

然而，當(dāng)電路板外形需要適應(yīng)具有高度限制的復(fù)雜外殼時(shí)，對(duì)于 PCB 設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)就沒(méi)那么容易了，因?yàn)檫@些工具中的功能與機(jī)械 CAD 系統(tǒng)的功能并不一樣。圖 2 中所示的復(fù)雜電路板主要用于防爆外殼，因此受到諸多機(jī)械限制。想要在 EDA 工具中重建此信息可能需要很長(zhǎng)時(shí)間而且并不具有成效。因?yàn)椋瑱C(jī)械工程師很有可能已經(jīng)創(chuàng)建了 PCB 設(shè)計(jì)人員所需的外殼、電路板外形、安裝孔位置和高度限制。

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圖 2：在本示例中，必須根據(jù)特定的機(jī)械規(guī)范設(shè)計(jì) PCB，以便其能放入防爆容器中。

由于電路板中存在弧度和半徑，因此即使電路板外形并不復(fù)雜（如圖 3 中所示），重建時(shí)間也可能比預(yù)期時(shí)間要長(zhǎng)。

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圖 3：設(shè)計(jì)多個(gè)弧度和不同的半徑曲線(xiàn)可能需要很長(zhǎng)時(shí)間。

這些僅僅是復(fù)雜電路板外形的幾個(gè)例子。然而，從當(dāng)今的消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品中，您會(huì)驚奇地發(fā)現(xiàn)有很多工程都試圖在一個(gè)小型封裝中加入所有的功能，而這個(gè)封裝并不總是矩形的。您最先想到的應(yīng)該是智能手機(jī)和平板電腦，但其實(shí)還有很多類(lèi)似的例子。

如果您返還租來(lái)的汽車(chē)，那么可能可以看到服務(wù)員用手持掃描儀讀取汽車(chē)信息，然后與辦公室進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信。該設(shè)備還連接了用于即時(shí)收據(jù)打印的熱敏打印機(jī)。事實(shí)上，所有這些設(shè)備都采用剛性/柔性電路板（圖 4），其中傳統(tǒng)的 PCB 電路板與柔性印刷電路互連，以便能夠折疊成小空間。

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圖 4：剛性/柔性電路板允許最大限度地利用可用空間。

那么，問(wèn)題是“如何將已定義的機(jī)械工程規(guī)范導(dǎo)入到 PCB 設(shè)計(jì)工具中呢？”在機(jī)械圖紙中復(fù)用這些數(shù)據(jù)可以消除重復(fù)工作，更重要的是還可以消除人為錯(cuò)誤。

我們可以使用 DXF、IDF 或 ProSTEP 格式將所有信息導(dǎo)入到 PCB Layout 軟件中，從而解決此問(wèn)題。這樣做既可以節(jié)省大量時(shí)間，還可以消除可能出現(xiàn)的人為錯(cuò)誤。接下來(lái)，我們將逐一了解這些格式。

DXF 是一種沿用時(shí)間最久、使用最為廣泛的格式，主要通過(guò)電子方式在機(jī)械和 PCB 設(shè)計(jì)域之間交換數(shù)據(jù)。AutoCAD 在 20?世紀(jì) 80?年代初將其開(kāi)發(fā)出來(lái)。這種格式主要用于二維數(shù)據(jù)交換。大多數(shù) PCB 工具供應(yīng)商都支持此格式，而它確實(shí)也簡(jiǎn)化了數(shù)據(jù)交換。DXF 導(dǎo)入/導(dǎo)出需要額外的功能來(lái)控制將在交換過(guò)程中使用的層、不同實(shí)體和單元。圖5就是使用 Mentor Graphics 的 PADS 工具以 DXF 格式導(dǎo)入非常復(fù)雜的電路板外形的一個(gè)示例：

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圖 5：PCB 設(shè)計(jì)工具（如這里介紹的 PADS）需要能夠使用 DXF 格式控制所需的各種參數(shù)。

幾年前，三維功能開(kāi)始出現(xiàn)在 PCB 工具中，于是需要一種能在機(jī)械和 PCB 工具之間傳送三維數(shù)據(jù)的格式。由此，Mentor Graphics 開(kāi)發(fā)出了 IDF 格式，隨后該格式被廣泛用于在 PCB 和機(jī)械工具之間傳輸電路板和元器件信息。

雖然 DXF 格式包含電路板尺寸和厚度，但是IDF 格式使用元件的 X 和 Y 位置、元件位號(hào)以及元件的 Z 軸高度。這種格式大大改善了在三維視圖中可視化 PCB 的功能。IDF 文件中可能還會(huì)納入有關(guān)禁布區(qū)的其他信息，例如電路板頂部和底部的高度限制。

系統(tǒng)需要能夠以與 DXF 參數(shù)設(shè)置類(lèi)似的方式，來(lái)控制 IDF 文件中將包含的內(nèi)容，如圖 6 中所示。如果某些元器件沒(méi)有高度信息，IDF 導(dǎo)出能夠在創(chuàng)建過(guò)程中添加缺少的信息。

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圖 6：可以在 PCB 設(shè)計(jì)工具（此示例為 PADS）中設(shè)置參數(shù)。

IDF 界面的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，任何一方都可以將元器件移動(dòng)到新位置或更改電路板外形，然后創(chuàng)建一個(gè)不同的 IDF 文件。這種方法的缺點(diǎn)是，需要重新導(dǎo)入表示電路板和元器件更改的整個(gè)文件，并且在某些情況下，由于文件大小可能需要很長(zhǎng)時(shí)間。此外，很難通過(guò)新的 IDF 文件確定進(jìn)行了哪些更改，特別是在較大的電路板上。IDF 的用戶(hù)最終可創(chuàng)建自定義腳本來(lái)確定這些更改。

為了更好地傳送三維數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)人員都在尋找一種改良方式，STEP 格式應(yīng)運(yùn)而生。STEP 格式可以傳送電路板尺寸和元器件布局，但更重要的是，元器件不再是具有一個(gè)僅具有高度值的簡(jiǎn)單形狀。STEP 元器件模型以三維形式對(duì)元件進(jìn)行了詳細(xì)而復(fù)雜的表示。電路板和元器件信息都可以在 PCB 和機(jī)械之間進(jìn)行傳遞。然而，仍然沒(méi)有可以進(jìn)行跟蹤更改的機(jī)制。

為了改進(jìn) STEP 文件交換，我們引入了 ProSTEP 格式。這種格式可移動(dòng)與 IDF 和 STEP 相同的數(shù)據(jù)，并且具有很大的改進(jìn)?–?它可以跟蹤更改，也可以提供在學(xué)科原始系統(tǒng)中工作及在建立基準(zhǔn)后審查任何更改的功能。除了查看更改之外，PCB 和機(jī)械工程師還可以批準(zhǔn)布局、電路板外形修改中的所有或單個(gè)元器件更改。他們還可以提出不同的電路板尺寸或元器件位置建議。這種經(jīng)改進(jìn)的溝通在 ECAD 與機(jī)械組之間建立了一個(gè)以前從未存在的 ECO（工程變更單）（圖 7）。

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圖 7：建議更改、在原始工具上查看更改、批準(zhǔn)更改或提出不同建議。

現(xiàn)在，大多數(shù) ECAD 和機(jī)械 CAD 系統(tǒng)都支持使用 ProSTEP 格式來(lái)改進(jìn)溝通，從而節(jié)省大量時(shí)間并減少?gòu)?fù)雜的機(jī)電設(shè)計(jì)可能帶來(lái)的代價(jià)高昂的錯(cuò)誤。更重要的是，工程師可以創(chuàng)建一個(gè)具有額外限制的復(fù)雜電路板外形，然后通?過(guò)電子方式傳遞此信息，以避免有人錯(cuò)誤地重新詮釋電路板尺寸，從而達(dá)到節(jié)省時(shí)間的目的。

如果您還沒(méi)有使用過(guò)這些 DXF、IDF、STEP 或 ProSTEP 數(shù)據(jù)格式交換信息，則您應(yīng)檢查他們的使用情況?？梢钥紤]使用這種電子數(shù)據(jù)交換，停止浪費(fèi)時(shí)間來(lái)重新創(chuàng)建復(fù)雜的電路板外形。


END


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