教你設(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，讓我們來看看該如何處理形狀更為復(fù)雜的電路板。

如圖 1 所示，簡單 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。

圖 1：常見 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)，對于 PCB 設(shè)計(jì)人員來說就沒那么容易了，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。

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。

圖 3：設(shè)計(jì)多個(gè)弧度和不同的半徑曲線可能需要很長時(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)類電子產(chǎn)品中，您會驚奇地發(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)還有很多類似的例子。

如果您返還租來的汽車，那么可能可以看到服務(wù)員用手持掃描儀讀取汽車信息，然后與辦公室進(jìn)行無線通信。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。

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)的人為錯誤。接下來，我們將逐一了解這些格式。

圖形交換格式 — DXF

DXF 是一種沿用時(shí)間最久、使用最為廣泛的格式，主要通過電子方式在機(jī)械和 PCB 設(shè)計(jì)域之間交換數(shù)據(jù)。AutoCAD 在 20 世紀(jì) 80 年代初將其開發(fā)出來。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)也簡化了數(shù)據(jù)交換。DXF 導(dǎo)入/導(dǎo)出需要額外的功能來控制將在交換過程中使用的層、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：

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)置類似的方式，來控制 IDF 文件中將包含的內(nèi)容，如圖 6 中所示。如果某些元器件沒有高度信息，IDF 導(dǎo)出能夠在創(chuàng)建過程中添加缺少的信息。

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時(shí)間。此外，很難通過新的 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 的用戶最終可創(chuàng)建自定義腳本來確定這些更改。

STEP 和 ProSTEP

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)僅具有高度值的簡單形狀。STEP 元器件模型以三維形式對元件進(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)。