自动布局与布线

PCB自动布线技术是计算机软件自动将原理图中元件间的逻辑连接转换为PCB铜膜连接的技术， PCB的自动化设计实际上是一种半自动化的设计过程， 还需要人工的干预才能设计出合格的PCB。

PCB自动布线的流程如下：

1） 绘制电路原理图。 此为设计印制电路板的前期准备工作， 一般要确定元件的封装，原理图编译校验无误后， 生成网络表文件。

2） 在PCB编辑器中规划印制板， 设置布线的各种栅格参数、 工作层、 印制板尺寸等。

3） 从原理图加载的网络表和元件。 实际上是将元件封装载入印制电路板图之中， 元件之间的连接关系以网络飞线的形式体现。

4） 自动布局及手工布局调整。 采用自动布局和手工布局相结合的方式， 将元件合理地放置在印制电路板中， 在满足电气性能的前提下， 尽量减少网络飞线的交叉， 以提高布线的布通率。

5） 自动布线规则设置。 根据实际电路的需要针对不同的网络设置好布线规则， 以提高布线的质量。 某些特殊的连线可以先进行手工预布线， 然后再进行自动布线。

6） 手工布线调整及标注文字调整。 一般自动布线效果不能完全满足设计要求， 还必须进行手工布线调整， 最后完成的电路必须把标注文字的位置调整好。

7） 设计规则检查 （DRC）。 检查PCB中是否有违反设计规则的错误存在， 并进行修改。

8） PCB文件输出， 包括PCB图输出和制造文件输出。

1. 规划PCB

采用公制规划尺寸， 采用长方形PCB板， 长为80mm， 宽为60mm。

（1） 执行菜单 【文件】 →【创建】 → 【PCB文件】， 新建PCB， 执行菜单 【文件】 →【保存】， 将该PCB文件保存为 “串联稳压电源.PCBDOC”。

（2） 执行菜单 【设计】 →【PCB板选择项】， 设置单位制为Metric （公制）； 设置可视栅格1、2分别为1mm和10mm， 捕获栅格X、 Y为0.5mm， 元件网格X、 Y为0.5mm。

（3） 执行菜单 【设计】 →【PCB板层次颜色】，设置显示可视栅格1 （Visible Grid1）。

（4） 执行菜单 【工具】 → 【优先设定】， 屏幕弹出 【优先设定】 对话框， 选中【Display】 选项， 在 【表示】 区中选中 【原点标记】 复选框， 显示坐标原点。

（5） 执行菜单 【编辑】 →【原点】 →【设定】，定义相对坐标原点。

（6） 用鼠标单击工作区下方的标签， 将当前工作层设置为Keep⁃Out Layer （禁止布线层）。执行【放置】 → 【直线】，随便画出四条直线，双击其中一条直线，打开属性对话框，对直线的起点坐标 （0，0） 和终点坐标 （80，0） 进行设置， 如图4－34所示。 同样方法，设置其他三条直线的坐标 （0，60） → （80，60）、（0，0） →（0，60）、 （80，0） → （80，60）。这样就精确设计好了PCB板框. 执行 【设计】 → 【PCB板形状】 → 【重定义PCB板形状】， 绕板框一周裁剪出PCB板， 如图4－35所示。

图4－34 设置PCB板框直线对话框

图4－35 规划好的PCB板框

2. 从原理图加载网络表和元件到PCB

打开设计好的原理图 “串联稳压电源.SCHDOC”， 执行菜单 【设计】 → 【Update PCB Document串联稳压电源.Pcb Doc】， 屏幕弹出 【工程变化订单】 对话框， 显示本次更新的对象和内容， 单击 【使变化生效】 按钮， 系统将自动检查各项变化是否正确有效， 所有正确的更新对象， 在检查栏内显示 “√” 符号， 不正确的显示 “×” 符号， 根据实际情况查看更新的信息是否正确， 如果有出错消息， 按4.2.1查找原因并返回修改。

单击 【执行变化】 按钮， 系统将接受工程变化， 将元件封装和网络表添加到PCB编辑器中， 单击 【关闭】 按钮关闭对话框， 系统将自动加载元件， 如图4－36所示。

图4－36 加载元件到PCB

3. 元件布局

从网络表中载入元件后， 元件排列在电气边界之外， 此时需要将它们分开， 放置到合适的位置上进行元件布局， 用户在进行布局时需要将自动布局和手工布局结合起来使用。 手工布局在前面已经讲了， 这里讲一下自动布局。

在进行自动布局前， 必须在禁止布线层 （Keep Out Layer） 上先规划电路板的电气边界，然后才能载入网络表文件， 预布局的元件必须设定为锁定状态。

执行菜单 【工具】 → 【放置元件】 → 【自动布局】， 屏幕弹出 【自动布局】 对话框，如图4－37所示。 共有两个复选框， 分别是 【分组布局】 和 【统计式布局】。

图4－37 【自动布局】 对话框

（1） 分组布局： 根据连接关系将元件分组， 然后按照几何关系放置元件组， 该方式一般在元件较少的电路中使用， 选中 “快速元件布局” 复选框可以提高元件布局速度。

（2） 统计式布局： 根据统计算法放置元件， 以使元件之间的连线长度最短， 该方式一般在元件较多的电路中使用。

选中统计布局方式后， 屏幕弹出图4－38所示的对话框， 可以设置电源网络、 接地网络和网格尺寸等。

图4－38 【统计式布局】

设置完毕， 单击 “确认” 按钮， 程序开始自动布局， 一般情况下每次自动布局的结果各不相同， 且自动布局的效果都不是很理想， 存在较多不合理的地方， 因此在自动布局后还要进行手工布局调整。

本电路采用分组布局， 选中 “快速元件布局” 复选框， 布局效果如图4－39所示， 各元件之间存在网络飞线， 体现节点间连接关系， 但它不是实际连线， 布线时要用印制导线来代替。

布局结束，执行菜单 【编辑】 → 【删除】，删除Room空间。

图4－39 自动布局结果

自动布局后， 还得进行手动调整， 手动调整后的布局效果如图4－40所示， 训练时可以仿照执行。

图4－40 手动布局结果

4. 自动布线

在实际设计中， 自动布线之前常常需要对某些重要的网络进行预布线， 然后通过自动布线完成剩下的布线工作。

（1） 预布线的基本菜单命令。

预布线可以通过执行菜单 “自动布线” 下的子菜单来实现， 也可以通过执行菜单 【放置】 → 【直线】 放置连线，并定义好连线以网络的方式进行。

1） 指定网络自动布线。

执行菜单【自动布线】 →【网络】，将光标移到需要布线的网络上， 单击鼠标左键， 该网络立即被自动布线。

2） 指定飞线自动布线。

执行菜单【自动布线】 →【飞线】， 将光标移到需要布线的某条飞线上， 单击鼠标左键， 则该飞线所连接焊盘立即被自动布线。

3） 指定元件自动布线。

执行菜单【自动布线】 →【元件】，将光标移到需要布线的元件上， 单击鼠标左键， 则与该元件的焊盘相连的所有飞线立即被自动布线。

4） 指定区域自动布线。

执行菜单【自动布线】 →【整个区域】，用鼠标拉出一个区域，程序自动完成指定区域内的布线， 凡是全部或部分在指定区域内的飞线都将被自动布线。

（2） 锁定预布线。

有些电路在自动布线前已经针对某些网络进行了预布线， 如果要在自动布线时保留这些预布线， 可以在自动布线器选项中设置锁定所有预布线。

执行菜单 【自动布线】 → 【设定】， 屏幕弹出 【Situs布线策略】 对话框， 选中对话框下方的 【锁定全部预布线】 复选框， 锁定全部预布线， 单击 【OK】 按钮退出设置状态。

（3） 常用自动布线设计规则设置。

在进行自动布线前， 首先要设置布线设计规则， 布线规则设置的合理与否将直接影响到布线的质量和成功率。

设计规则制定后， 程序自动监视PCB， 检查PCB中的图件是否符合设计规则， 若违反了设计规则， 将以高亮显示错误内容。

执行菜单【设计】 →【规则】，屏幕弹出【PCB规测和约束编辑器】 对话框，如图4－41所示。

【PCB规则和约束编辑器】 对话框分成左右两栏， 左边是树形列表， 列出了PCB规则和约束的构成和分支， 右边是各类规则的详细内容。 Protel DXP2004SP2中提供有10种不同的设计规则类， 每个设计规则类还有不同的分类规则， 单击各个规则类前的符号， 可以列表展开查看该规则类中的各个子规则， 单击＋号则收起展开的列表。

设置的规则主要集中在 【Electrical】 （电气设计规则） 类别和 【Routing】 （布线设计规则） 类别中。

1） 电气设计规则 （Electrical）。

电气设计规则是PCB布线过程中所遵循的电气方面的规则， 主要用于DRC电气校验。

在PCB规则和约束编辑器的规则列表栏中单击 “Electrical” 项， 会展开所有的电气规则列表， 如图4－42所示， 共包含了4个子规则。

图4－41 【PCB规则和约束编辑器】 对话框

图4－42 电气设计规则分类

【Clearance】 （安全间距规则设置）： 安全间距规则用于设置PCB上不同网络的导线、 焊盘、 过孔及覆铜等导电图形之间的最小间距。

【Short－Circuit】 （短路约束规则）： 短路约束规则用于设置PCB上的导线等对象是否允许短路。

【Un－Routed Net】 （未布线网络规则设置）： 未布线网络规则用于检查指定范围内的网络是否布线， 对于未布线的网络， 使其仍保持飞线。

【Un－Connected Pin】 （未连接引脚规则设置）： 未连接引脚规则用于检查指定范围内的元件封装引脚是否均已连接到网络， 对于未连接的引脚给予警告提示， 显示为高亮状态， 系统默认状态为无此规则。

由于系统设置了自动DRC检查， 当出现违反上述规则的情况时， 违反规则的对象将高亮显示。

2） 布线设计规则 （Routing）。

在PCB规则和约束编辑器的规则列表栏中单击“Routing” 项， 系统展开所有的布线设计规则列表，如图4－43所示， 共包含了7个子规则， 主要的子规则说明如下。

【Width】 （导线宽度限制规则）： 导线宽度限制规则用于设置自动布线时印制导线的宽度范围， 可以定义最小宽度 （Min Width）、 最大宽度 （Max Wid由） 和优选尺寸 （Preferred Width）， 单击每个宽度栏并键入数值即可。

【Routing Topology】 （网络拓扑结构规则）： 网络拓扑结构规则主要设置自动布线时布线的拓扑结构，它决定了同一网络内各节点间的走线方式。 在实际电路中， 对不同信号网络可能需要采用不同的布线方式。

图4－43 布线设计规则分类

【Routing Priority】 （布线优先级）： 布线优先级规则用于设置布线的优先级， 在自动布线过程中， 具有较高布线优先级的网络会被优先布线。 优先级别可以是0～100之间的数字， 数字越大， 优先级越高。

【Routing Layers】 （布线层规则）： 布线层规则主要用于规定自动布线时所使用的工作层面， 系统默认采用双面布线， 即选中顶层 （Top Layer） 和底层 （Bottom Layer）。

【Routing Corners】 （布线转角规则）： 布线转角规则主要是在自动布线时规定印制导线拐弯的方式。

【Routing Via Style】 （过孔类型规则）： 过孔类型规则用于设置自动布线时所采用的过孔类型， 可以设置规则适用的范围和过孔尺寸。

【Fanout Control】 （扇出式布线）： 该规则用于设置扇出式导线的形状、 方向及焊盘、 过孔的放置等。

（4） 自动布线。

设置好自动布线规则后， 执行 【设计】 → 【全部对象】， 弹出图4－44所示 【Situs布线策略】 对话框。 为了保留前面进行的预布线， 在自动布线之前应选中图4－44中的 【锁定全部预布线】 前的复选框锁定预布线。 单击图4－44中的 【Route All】 按钮对整个电路板进行自动布线， 系统弹出 【Messages】 窗口显示当前布线进程如图4－45所示。

一般自动布线的效果不能完全满足用户的要求， 用户可以先观察布线中存在的问题， 然后撤销布线， 调整元件栅格， 适当微调元件的位置， 再次进行自动布线， 直到达到比较满意的效果。 训练时可以参考图4－46先自动布线， 然后进行手动调整。

图4－44 布线策略对话框

图4－45 布线信息对话框

图4－46 串联稳压电源布线结果