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異形PCB,你如何設計?

日期:2018-04-09

我們預想中的完整 PCB 通常都是規整的矩形形狀。雖然大多數設計確實是矩形的,但是很多設計都需要不規則形狀的電路板,而這類形狀往往不太容易設計。本文介紹了如何設計不規則形狀的 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,再加上時鐘速度的提高,設計也就變得愈加復雜了。那么,讓我們來看看該如何處理形狀更為復雜的電路板。

如圖 1 所示,簡單 PCI 電路板外形可以很容易地在大多數 EDA Layout 工具中進行創建。


圖 1:常見 PCI 電路板的外形。

然而,當電路板外形需要適應具有高度限制的復雜外殼時,對于 PCB 設計人員來說就沒那么容易了,因為這些工具中的功能與機械 CAD 系統的功能并不一樣。圖 2 中所示的復雜電路板主要用于防爆外殼,因此受到諸多機械限制。想要在 EDA 工具中重建此信息可能需要很長時間而且并不具有成效。因為,機械工程師很有可能已經創建了 PCB 設計人員所需的外殼、電路板外形、安裝孔位置和高度限制。


圖 2:在本示例中,必須根據特定的機械規范設計 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雜(如圖 3 中所示),重建時間也可能比預期時間要長。


圖 3:設計多個弧度和不同的半徑曲線可能需要很長時間。

這些僅僅是復雜電路板外形的幾個例子。然而,從當今的消費類電子產品中,您會驚奇地發現有很多工程都試圖在一個小型封裝中加入所有的功能,而這個封裝并不總是矩形的。您最先想到的應該是智能手機和平板電腦,但其實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員用手持掃描儀讀取汽車信息,然后與辦公室進行無線通信。該設備還連接了用于即時收據打印的熱敏打印機。事實上,所有這些設備都采用剛性/柔性電路板(圖 4),其中傳統的 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“如何將已定義的機械工程規范導入到 PCB 設計工具中呢?”在機械圖紙中復用這些數據可以消除重復工作,更重要的是還可以消除人為錯誤。

我們可以使用DXF、IDF 或 ProSTEP 格式將所有信息導入到 PCB Layout 軟件中,從而解決此問題。這樣做既可以節省大量時間,還可以消除可能出現的人為錯誤。接下來,我們將逐一了解這些格式。
圖形交換格式 — DXF
DXF是一種沿用時間最久、使用最為廣泛的格式,主要通過電子方式在機械和 PCB 設計域之間交換數據。AutoCAD 在 20 世紀 80 年代初將其開發出來。這種格式主要用于二維數據交換。大多數 PCB 工具供應商都支持此格式,而它確實也簡化了數據交換。DXF 導入/導出需要額外的功能來控制將在交換過程中使用的層、不同實體和單元。圖 5 就是使用 Mentor Graphics 的 PADS 工具以 DXF 格式導入非常復雜的電路板外形的一個示例:


圖 5:PCB 設計工具(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。

幾年前,三維功能開始出現在 PCB 工具中,于是需要一種能在機械和 PCB 工具之間傳送三維數據的格式。由此,Mentor Graphics 開發出了 IDF 格式,隨后該格式被廣泛用于在 PCB 和機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禁布區的其他信息,例如電路板頂部和底部的高度限制。

系統需要能夠以與 DXF 參數設置類似的方式,來控制 IDF 文件中將包含的內容,如圖 6 中所示。如果某些元器件沒有高度信息,IDF 導出能夠在創建過程中添加缺少的信息。

圖 6:可以在 PCB 設計工具(此示例為 PADS)中設置參數。

IDF 界面的另一個優點是,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,然后創建一個不同的 IDF 文件。這種方法的缺點是,需要重新導入表示電路板和元器件更改的整個文件,并且在某些情況下,由于文件大小可能需要很長時間。此外,很難通過新的 IDF 文件確定進行了哪些更改,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據,設計人員都在尋找一種改良方式,STEP 格式應運而生。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行了詳細而復雜的表示。電路板和元器件信息都可以在 PCB 和機械之間進行傳遞。然而,仍然沒有可以進行跟蹤更改的機制。

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


圖 7:建議更改、在原始工具上查看更改、批準更改或提出不同建議。

現在,大多數 ECAD 和機械 CAD 系統都支持使用 ProSTEP 格式來改進溝通,從而節省大量時間并減少復雜的機電設計可能帶來的代價高昂的錯誤。更重要的是,工程師可以創建一個具有額外限制的復雜電路板外形,然后通過電子方式傳遞此信息,以避免有人錯誤地重新詮釋電路板尺寸,從而達到節省時間的目的。
總結
如果您還沒有使用過這些 DXF、IDF、STEP 或 ProSTEP 數據格式交換信息,則您應檢查他們的使用情況??梢钥紤]使用這種電子數據交換,停止浪費時間來重新創建復雜的電路板外形。


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