如何设计PCB外壳与布局以避免干涉

博客作者：Zachariah Peterson

设计印刷电路板（PCB）既有趣又充满挑战，但 PCB 需要外壳来保持机械稳定性。PCB 外壳可以直接购买现成的，也可以使用 MCAD 工具进行定制设计。无论选择哪种方式来创建外壳，都需要将 PCB 布局导入 MCAD 工具，以确保电路板和元件不会与外壳发生干涉。

当处理复杂布局、多板系统或柔性 PCB 时，需要快速使用 MCAD 工具检查 PCB 外壳、电子元件和电路板之间的干涉。Altium Designer 提供了设计电路板和外壳时所需的 MCAD 工具，可检查机械干涉，同时具备功能强大的电路板设计特性，支持设计师为任意应用场景设计复杂电路板及其配套外壳。

如何设计 PCB 外壳与布局以避免干涉

当需要围绕 PCB 布局设计外壳并防止元件间干涉时，有几种方法可确保设计的准确性：

将 PCB 布局导出为 STEP 文件并导入 MCAD 应用进行外壳设计

将外壳导出为 STEP 文件并导入 PCB 设计应用

Altium Designer 支持上述两种流程，作为 PCB 布局和外壳设计的一部分。若需防止干涉，可将 STEP 文件导入 PCB 项目，并手动或自动检查干涉。通过定义设计规则，可在 3D 环境中检查元件布局与 PCB 外壳的干涉情况，帮助识别何时需要移动 PCB 上的元件。

使用 Altium Designer 进行 3D 间距和碰撞检查

遗憾的是，PCB 设计师需要 MCAD 设计师或 MCAD 应用才能对现有外壳进行修改，或为 PCB 设计定制外壳。这些外壳设计需要电气和机械领域之间的协同设计方法。

全定制 PCB 外壳需要协同设计

对于许多产品而言，创造理想的用户体验需要机械和电气设计师之间的协同设计。机械与电气工程领域的交互为设计空间中的约束定义提供了两种方法：

机械优先法：首先确定所需外壳，并将其作为电路板尺寸、元件尺寸和元件布局的主要约束条件。

电气优先法：首先确定 PCB 尺寸，有时需在布局完成后才能最终确定。布局完成后，机械设计师再围绕 PCB 进行外壳设计。

电气优先法更为简单，因为它赋予电气设计师充分的自由来选择元件并在 PCB 布局中放置元件。完成后，机械工程师以最终的设计模型为基础构建外壳。这本质上是一种 “瀑布式” 方法，类似于传统的 “隔墙式” 工程模式。

这类设计可能看起来简单，定制设计通常形似盒子，本质上是围绕 PCB 元件设置外壳壁的最小边距。

当产品需要更独特的功能和美学体验时，机械优先法占主导地位。这意味着设计团队需要采用协同设计方法，最初在 MCAD 软件中定义约束，而非在 PCB 布局中。

PCB 外壳的 MCAD 协同设计

开发 PCB 外壳的一个重要流程是 MCAD 协同设计，即机械和电气设计师反复迭代以开发 PCB 及其外壳。该流程适用于复杂的 PCB 外壳，这类外壳可能具有复杂形状，甚至可将多个 PCB 集成到同一组件中。

对于机械工程师而言，MCAD 协同设计方法有诸多优势，其中最重要的是能够为电气设计师定义约束条件。在 PCB 布局上设置约束意味着确定以下几项关键要素：

PCB 整体尺寸和规格

PCB 总厚度

禁止区域位置（包括基于高度的禁止区域）

安装孔、切口或槽的位置

特定元件（通常为连接器）的布局

布线和电缆路径的规划与建模

预先规划这些要素确实会限制电路板设计师，但也能确保其设计符合目标外壳的要求。通常在布局完成后，需审查带元件的 PCB 3D 模型，以检查与外壳的适配性。

借助 Altium Designer 的集成 MCAD 工具集，可在 3D 环境中检查外壳间距和干涉情况。

定义这些约束后，机械设计师可专注于构建外壳并规划制造流程。同时，PCB 设计师可专注于在这些约束范围内进行 PCB 布局设计。为确保 PCB 布局不违反机械约束，需定期审查元件布局，这可通过 Altium 365 等云平台的标准推拉流程实现。

现成的 PCB 外壳

市面上有许多具有各种功能的现成 PCB 外壳选项，这使其在许多场景中非常实用，尤其是在原型制作或中小批量快速生产的情况下。这些现成外壳提供了快速推向市场的选择，适用于多种设计。它们通常配备安装柱、散热孔、紧固件螺纹孔、电缆或连接器开口以及气流通风口。部分现成外壳可能还具有高防护等级（IP 等级），与同等等级的面板安装或机箱安装连接器结合使用时，可构建能够抵御恶劣环境的高可靠性系统。

以下是 Polycase 的一款 PCB 外壳示例，适用于许多设计，包括数字系统、嵌入式系统和小型电力电子系统。

现成 PCB 外壳供应商通常会提供外壳的 3D 机械模型，可用于定义 PCB 的约束条件。使用外壳的 3D 模型并导出电路板的 2D 轮廓，遵循了使用 PCB 外壳设计的 MCAD 优先法，且需要 MCAD 软件包支持。基于 3D 模型，MCAD 设计师可描绘出适合外壳并符合所有安装柱或支脚的 PCB 轮廓。CAD 用户还可在外壳模型内提供电路板厚度规格，并将此信息传递给 PCB 设计师。

虽然传递 DXF 文件通常是定义电路板几何形状的标准方法，但 MCAD 软件用户也可将电路板几何形状直接推送至 Altium Designer 等 ECAD 平台。直接推送至 PCB 可避免文件交换，确保设计师始终拥有正确的 PCB 机械规格。

在 Altium Designer 中处理复杂 3D PCB 布局

当处理复杂布局、多板系统或柔性 PCB 时，需要快速使用 MCAD 工具检查 PCB 外壳、电子元件和电路板之间的干涉。Altium Designer 提供了设计电路板和外壳时所需的 MCAD 工具，可检查机械干涉，同时具备功能强大的电路板设计功能，支持设计师为任意应用场景设计复杂电路板及其配套外壳。

Altium Designer 是一个提供完整 ECAD 和 MCAD 功能的 PCB 设计平台。无论设计简单 PCB 还是复杂多板系统，Altium Designer 都具备创建前沿技术所需的电气和机械设计功能。

Altium Designer 与 Altium 365 结合，为电子行业带来了全新的集成水平（此前只是在软件开发领域实现），使设计师能够在家工作并实现前所未有的效率提升。

关于Altium

Altium有限公司隶属于瑞萨集团，总部位于美国加利福尼亚州圣迭戈，是一家致力于加速电子创新的全球软件公司。Altium提供数字解决方案，以最大限度提高电子设计的生产力，连接整个设计过程中的所有利益相关者，提供对元器件资源和信息的无缝访问，并管理整个电子产品生命周期。Altium生态系统加速了各行业及各规模企业的电子产品实现进程。