1、PCBlayout基础1.1、电路图电路图也叫原理图是一张图纸不表达实物尺寸只描述器件型号、引脚连接关系。1核心作用定义元器件、引脚之间电气连通关系告诉 EDA 软件 “哪些引脚要连在一起”。2组成元件库符号、网络标号、导线、电源地符号、位号 R1/C2/U1 等。3输出产物网表 (Netlist)很重要网表是原理图和 PCB 之间的桥梁把逻辑连接传递给 PCB 工程。原理图符号引脚必须和实际芯片引脚一一对应符号只是抽象图形和封装无关。1.2 PCB印制电路板PCB 是实物物理板子把原理图逻辑转化成铜箔走线、焊盘、丝印。进行PCB布线时需要导入来自原理图生成的网表网表 (Netlist)。封装器件的物理外形焊盘尺寸0805、SOP8、QFP 等同一个原理图符号可以对应多种封装。如贴点器件、直插器件都是不同的封装合适的PCB版需要找的合适的封装。焊盘器件焊接的铜盘过孔层与层之间导通的孔洞。走线铜箔导线实现网络电气连接铺铜大面积铜皮多用于 GND。层顶层、底层、内层信号层、电源层、地层。简单来说PCB Layout布局摆放器件 布线走铜箔。PCB 裸电路板有铜皮、焊盘还没有焊接元器件。1.3 PCBAPCBA PCB 裸板 焊接元器件。流程PCB 裸板生产 → SMT 贴片焊接 → 插件焊接 → 洗板、测试。物料PCB 裸板 BOM 物料电阻、电容、芯片、接插件。工厂生产交付出来就是可以上电工作的成品电路板。也可以自己手工焊接元器件2、PCB构造2.1 2层PCB板层结构顶层 (Top) 底层 (Bottom)中间是玻璃纤维树脂基材没有内层。顶层、底层都可以走线、放焊盘器件可以放在顶层部分插件器件会在底层焊接。层间连通依靠过孔过孔打通顶层和底层铜箔实现信号互连。特点:成本最低打样、量产价格便宜。走线资源有限电源、地只能走铜箔走线一般不做完整电源 / 地层。缺点电源地噪声偏大抗干扰能力一般。适用场景简单单片机电路、电源模块、学习开发板低速信号。2.2 4层PCB层叠结构 Stackup 1优先采用此结构将地网络层GND置于顶层信号层下方能最大程度为顶层信号提供屏蔽减少信号辐射干扰是高频信号电路的优选方案。Top顶层→信号层主要布置高频信号、控制信号GND地网络层→内电层负片提供信号回流路径屏蔽干扰VCC电源层→内电层负片集中供电降低电源阻抗Bot底层→信号层布置低速信号、功率信号或辅助信号层叠结构 Stackup 2特殊场景适用当电路中电源回路干扰大于地回路干扰时可采用此结构需注意电源层与信号层的间距控制避免串扰。Top顶层→信号层布置核心控制信号VCC电源层→内电层负片电源网络独立隔离GND地网络层→内电层负片统一信号回流地Bot底层→信号层布置接口信号、电源引出线2.3 6层及以上PCB6 层板经典叠层示例Top信号层→ GND →信号层 → 信号层→ POWER → Bottom信号层。层叠核心原则信号层紧邻参考地平面。6 层、8 层、10 层属于高层 PCB增加额外内层信号层、电源 / 地层。优点走线资源充足复杂布线可以分散到多个内层。可以多组独立电源平面、多块地平面分割模拟地数字地。高速信号、差分线有就近参考平面信号完整性好。缺点板厂加工价格明显上涨叠层设计非常关键叠层不合理会带来严重信号干扰。适用场景高速 DDR、以太网、HDMI复杂主控板工控、服务器硬件。3、绘制软件主流EDA软件软件授权上手难度主要适用Altium Designer商业付费低学生、嵌入式中小型项目KiCad开源免费中等开源硬件无版权需求Cadence Allegro商业付费高高速、多层复杂工业板PADS商业付费中等传统消费、工控产品立创 EDA (EasyEDA)免费 / 付费很低快速打样、创客入门立创网址国产嘉立创EDA - 一个用心为中国人定制的电路板开发平台4、设计流程需求方案 → 器件选型 → 原理图绘制 ERC → 导出网表 → PCB 布局布线 DRC → 输出 Gerber/BOM → PCB 裸板加工 → SMT 贴片 (PCBA) → 上电调试重点ERC 查原理图逻辑错误DRC 查 PCB 物理布线错误两步都不能省略。不能先画 PCB 再补原理图属于不规范操作。后期修改原理图需要同步更新网表同步 PCB防止原理图与 PCB 不一致。5、绘制无接触式验电笔简单案例分享----简易无接触式验电笔不完善、仅作PCB学习原理图PCB未铺铜:PCBA3D视图:Q1、Q2、Q3为三个三极管黄色圆盘纽扣电池H1:金属探头注意验电笔 PCB 实际项目中、非本项目是细长条形只一面铺大面积铜另一面几乎无铜回流焊、SMT 焊接热应力不均会使板子弯曲变形装不进塑料笔壳。两面都不铺铜铜密度均衡规避翘曲风险。走线时走线尽可能短越短越好减少寄生电容与漏电流。走线不要过孔尽量顶层直接走少打 / 不打过孔过孔会增加对地寄生电容降低灵敏度。数字驱动走线LED不要平行、不要靠近高阻感应走线防止串扰。6、绘制USB拓展坞简单案例分享----USB拓展坞原理图经验之谈在绘制原理图时尽可能的将各模块分区排版连线板块与板块之间通过网络标签连接这样做有以下几个好处1、可以供工程师更好的理解各个板块器件的电路原理2、可以方便我们分块绘制PCB对PCB布局有很大的帮助3、如果后期发现电路原理图出现问题可以更便捷的进行修改4、另外一个清晰明了的电路原理图也方便我们对后续PCBA版进行测试PCB未铺铜经验之谈该项目相对与简易无接触式电笔进阶的要点是1、该原理图中含有差分信号线要注意差分布线要求2、此项目在绘制PCB时要注意电源线的流向先后当工程师在设计电路时往往会在DCDC、LDO升\降压电路、以及单片机等等电源流入和流出的引脚前加入一大一小滤波电容。为了使电路具有良好的EMI并提高电路的抗干扰性在布局PCB时应控制电流流入时先经过大电容滤除低频噪声后经过小电容滤除高频噪声。电流流出时同理先经过大电容后经过小电容。3、在布局时要注意电源线、地线之间的回流路径要尽可能短。针对某一块电路的滤波电容、限流电阻等等元器件布局尽可能精密元器件相同引脚在遵循电流流向的同时尽可能靠近回流路径电源-元器件-接地的路径尽可能小。4、vcc、5V电源线应适当加粗以减小导线通入大电流时发热增加电路稳定性。单端信号所谓单端信号指的是只用一根导线来发送信号。这种发送信号的方式非常简便。如果A芯片要给B芯片发送数据那么它只需要将导线上的电平一会儿置高一会儿置低就可以了。单端信号传输方式主要适用于短距离的板上通信而不宜用于线缆通信。这主要是因为单端信号的抗干扰能力较弱。例如如果我们使用一根导线将电脑和单片机连接起来传输数据而在此过程中如果不小心触碰了这根导线可能会导致身上的静电释放到导线上。这种静电干扰可能会改变导线上的电平从而导致接收端接收到错误的数据。差分信号为了克服单端信号易受干扰的问题我们可以采用差分信号传输技术。这种技术涉及将发送端的原始信号转变为两个信号D 和 D-。这两个信号通过两根导线传输其中D 的波形与原始信号几乎相同而 D- 是 D 的反相。这种方式可以显著增强信号的抗干扰能力。在接收端信号的还原过程非常直接。系统通过比较 D 和 D- 两条线上的电压差来确定原始信号的状态。如果 D 的电压高于 D-则认定为数字信号 “1”相反如果 D 的电压低于 D-则认定为数字信号 “0”。差分布线要求两线尽可能平行、等长优先绘制差分线差分线尽量短差分线上尽量不超过两对过孔过孔会增加线路的寄生电感影响信号完整性平行紧密走线避免直角锐角走线长度差尽量小控制在 5mil以内与其它信号网络以及地的距离尽量在 20mil 以上PCBA3D视图在预览3D视图时、应观察器件封装、贴片和插件器件的封装是否正确以及连接口器件摆放是否合理。7、绘制单片机最小系统简单案例分享----单片机最小系统原理图PCB经验之谈1、vcc、5V电源线应适当加粗以减小导线通入大电流时发热增加电路稳定性。2、在绘制PCB时要注意电源线的流向先后电流流入时先经过大电容滤除低频噪声后经过小电容滤除高频噪声。电流流出时同理先经过大电容后经过小电容。3、在布局时要注意电源线、地线之间的回流路径要尽可能短。4、铺铜之后要在大面积不同的地方增加过孔散热。同时要注意单片机正下方以及晶振下方禁止铺设铜皮。核心避免干扰、防止寄生电容、避免短路、保证参考地完整性嘉立创 EDA 等 PCB 设计规范里高频电路这两块区域一般做挖空Remove Copper不铺铜。晶振属于高频谐振器件晶振引脚连接单片机内部振荡放大器振荡信号频率一般几 MHz~ 几十 MHz。铜皮是导体晶振外壳、走线和下方地铜之间会形成寄生电容额外寄生电容会改变晶振负载电容振荡频率偏移、频点不准严重会起振困难、偶尔不起振、波特率偏差串口乱码、时钟不稳定。单片机芯片正下方不铺铜BGA/QFP 贴片短路风险贴片回流焊时芯片封装下方焊盘、锡膏如果底下有大面积铜皮铜吸热大受热不均容易虚焊、冷焊QFP 引脚下方铜皮也容易造成锡珠引脚短路。寄生电容影响高速信号单片机内部高速总线芯片底部铜皮会对芯片底部焊盘引入额外寄生电容影响高速时序。散热与应力问题大面积铜散热快芯片本体与 PCB 热膨胀系数不一致温差大容易翘板。如果单片机底部有外露大焊盘Exposed PadEPAD这个焊盘必须铺铜 多打散热过孔接地PCBA3D视图 PCBLayout分享---经验之谈（一）
1、PCBlayout基础1.1、电路图电路图也叫原理图是一张图纸不表达实物尺寸只描述器件型号、引脚连接关系。1核心作用定义元器件、引脚之间电气连通关系告诉 EDA 软件 “哪些引脚要连在一起”。2组成元件库符号、网络标号、导线、电源地符号、位号 R1/C2/U1 等。3输出产物网表 (Netlist)很重要网表是原理图和 PCB 之间的桥梁把逻辑连接传递给 PCB 工程。原理图符号引脚必须和实际芯片引脚一一对应符号只是抽象图形和封装无关。1.2 PCB印制电路板PCB 是实物物理板子把原理图逻辑转化成铜箔走线、焊盘、丝印。进行PCB布线时需要导入来自原理图生成的网表网表 (Netlist)。封装器件的物理外形焊盘尺寸0805、SOP8、QFP 等同一个原理图符号可以对应多种封装。如贴点器件、直插器件都是不同的封装合适的PCB版需要找的合适的封装。焊盘器件焊接的铜盘过孔层与层之间导通的孔洞。走线铜箔导线实现网络电气连接铺铜大面积铜皮多用于 GND。层顶层、底层、内层信号层、电源层、地层。简单来说PCB Layout布局摆放器件 布线走铜箔。PCB 裸电路板有铜皮、焊盘还没有焊接元器件。1.3 PCBAPCBA PCB 裸板 焊接元器件。流程PCB 裸板生产 → SMT 贴片焊接 → 插件焊接 → 洗板、测试。物料PCB 裸板 BOM 物料电阻、电容、芯片、接插件。工厂生产交付出来就是可以上电工作的成品电路板。也可以自己手工焊接元器件2、PCB构造2.1 2层PCB板层结构顶层 (Top) 底层 (Bottom)中间是玻璃纤维树脂基材没有内层。顶层、底层都可以走线、放焊盘器件可以放在顶层部分插件器件会在底层焊接。层间连通依靠过孔过孔打通顶层和底层铜箔实现信号互连。特点:成本最低打样、量产价格便宜。走线资源有限电源、地只能走铜箔走线一般不做完整电源 / 地层。缺点电源地噪声偏大抗干扰能力一般。适用场景简单单片机电路、电源模块、学习开发板低速信号。2.2 4层PCB层叠结构 Stackup 1优先采用此结构将地网络层GND置于顶层信号层下方能最大程度为顶层信号提供屏蔽减少信号辐射干扰是高频信号电路的优选方案。Top顶层→信号层主要布置高频信号、控制信号GND地网络层→内电层负片提供信号回流路径屏蔽干扰VCC电源层→内电层负片集中供电降低电源阻抗Bot底层→信号层布置低速信号、功率信号或辅助信号层叠结构 Stackup 2特殊场景适用当电路中电源回路干扰大于地回路干扰时可采用此结构需注意电源层与信号层的间距控制避免串扰。Top顶层→信号层布置核心控制信号VCC电源层→内电层负片电源网络独立隔离GND地网络层→内电层负片统一信号回流地Bot底层→信号层布置接口信号、电源引出线2.3 6层及以上PCB6 层板经典叠层示例Top信号层→ GND →信号层 → 信号层→ POWER → Bottom信号层。层叠核心原则信号层紧邻参考地平面。6 层、8 层、10 层属于高层 PCB增加额外内层信号层、电源 / 地层。优点走线资源充足复杂布线可以分散到多个内层。可以多组独立电源平面、多块地平面分割模拟地数字地。高速信号、差分线有就近参考平面信号完整性好。缺点板厂加工价格明显上涨叠层设计非常关键叠层不合理会带来严重信号干扰。适用场景高速 DDR、以太网、HDMI复杂主控板工控、服务器硬件。3、绘制软件主流EDA软件软件授权上手难度主要适用Altium Designer商业付费低学生、嵌入式中小型项目KiCad开源免费中等开源硬件无版权需求Cadence Allegro商业付费高高速、多层复杂工业板PADS商业付费中等传统消费、工控产品立创 EDA (EasyEDA)免费 / 付费很低快速打样、创客入门立创网址国产嘉立创EDA - 一个用心为中国人定制的电路板开发平台4、设计流程需求方案 → 器件选型 → 原理图绘制 ERC → 导出网表 → PCB 布局布线 DRC → 输出 Gerber/BOM → PCB 裸板加工 → SMT 贴片 (PCBA) → 上电调试重点ERC 查原理图逻辑错误DRC 查 PCB 物理布线错误两步都不能省略。不能先画 PCB 再补原理图属于不规范操作。后期修改原理图需要同步更新网表同步 PCB防止原理图与 PCB 不一致。5、绘制无接触式验电笔简单案例分享----简易无接触式验电笔不完善、仅作PCB学习原理图PCB未铺铜:PCBA3D视图:Q1、Q2、Q3为三个三极管黄色圆盘纽扣电池H1:金属探头注意验电笔 PCB 实际项目中、非本项目是细长条形只一面铺大面积铜另一面几乎无铜回流焊、SMT 焊接热应力不均会使板子弯曲变形装不进塑料笔壳。两面都不铺铜铜密度均衡规避翘曲风险。走线时走线尽可能短越短越好减少寄生电容与漏电流。走线不要过孔尽量顶层直接走少打 / 不打过孔过孔会增加对地寄生电容降低灵敏度。数字驱动走线LED不要平行、不要靠近高阻感应走线防止串扰。6、绘制USB拓展坞简单案例分享----USB拓展坞原理图经验之谈在绘制原理图时尽可能的将各模块分区排版连线板块与板块之间通过网络标签连接这样做有以下几个好处1、可以供工程师更好的理解各个板块器件的电路原理2、可以方便我们分块绘制PCB对PCB布局有很大的帮助3、如果后期发现电路原理图出现问题可以更便捷的进行修改4、另外一个清晰明了的电路原理图也方便我们对后续PCBA版进行测试PCB未铺铜经验之谈该项目相对与简易无接触式电笔进阶的要点是1、该原理图中含有差分信号线要注意差分布线要求2、此项目在绘制PCB时要注意电源线的流向先后当工程师在设计电路时往往会在DCDC、LDO升\降压电路、以及单片机等等电源流入和流出的引脚前加入一大一小滤波电容。为了使电路具有良好的EMI并提高电路的抗干扰性在布局PCB时应控制电流流入时先经过大电容滤除低频噪声后经过小电容滤除高频噪声。电流流出时同理先经过大电容后经过小电容。3、在布局时要注意电源线、地线之间的回流路径要尽可能短。针对某一块电路的滤波电容、限流电阻等等元器件布局尽可能精密元器件相同引脚在遵循电流流向的同时尽可能靠近回流路径电源-元器件-接地的路径尽可能小。4、vcc、5V电源线应适当加粗以减小导线通入大电流时发热增加电路稳定性。单端信号所谓单端信号指的是只用一根导线来发送信号。这种发送信号的方式非常简便。如果A芯片要给B芯片发送数据那么它只需要将导线上的电平一会儿置高一会儿置低就可以了。单端信号传输方式主要适用于短距离的板上通信而不宜用于线缆通信。这主要是因为单端信号的抗干扰能力较弱。例如如果我们使用一根导线将电脑和单片机连接起来传输数据而在此过程中如果不小心触碰了这根导线可能会导致身上的静电释放到导线上。这种静电干扰可能会改变导线上的电平从而导致接收端接收到错误的数据。差分信号为了克服单端信号易受干扰的问题我们可以采用差分信号传输技术。这种技术涉及将发送端的原始信号转变为两个信号D 和 D-。这两个信号通过两根导线传输其中D 的波形与原始信号几乎相同而 D- 是 D 的反相。这种方式可以显著增强信号的抗干扰能力。在接收端信号的还原过程非常直接。系统通过比较 D 和 D- 两条线上的电压差来确定原始信号的状态。如果 D 的电压高于 D-则认定为数字信号 “1”相反如果 D 的电压低于 D-则认定为数字信号 “0”。差分布线要求两线尽可能平行、等长优先绘制差分线差分线尽量短差分线上尽量不超过两对过孔过孔会增加线路的寄生电感影响信号完整性平行紧密走线避免直角锐角走线长度差尽量小控制在 5mil以内与其它信号网络以及地的距离尽量在 20mil 以上PCBA3D视图在预览3D视图时、应观察器件封装、贴片和插件器件的封装是否正确以及连接口器件摆放是否合理。7、绘制单片机最小系统简单案例分享----单片机最小系统原理图PCB经验之谈1、vcc、5V电源线应适当加粗以减小导线通入大电流时发热增加电路稳定性。2、在绘制PCB时要注意电源线的流向先后电流流入时先经过大电容滤除低频噪声后经过小电容滤除高频噪声。电流流出时同理先经过大电容后经过小电容。3、在布局时要注意电源线、地线之间的回流路径要尽可能短。4、铺铜之后要在大面积不同的地方增加过孔散热。同时要注意单片机正下方以及晶振下方禁止铺设铜皮。核心避免干扰、防止寄生电容、避免短路、保证参考地完整性嘉立创 EDA 等 PCB 设计规范里高频电路这两块区域一般做挖空Remove Copper不铺铜。晶振属于高频谐振器件晶振引脚连接单片机内部振荡放大器振荡信号频率一般几 MHz~ 几十 MHz。铜皮是导体晶振外壳、走线和下方地铜之间会形成寄生电容额外寄生电容会改变晶振负载电容振荡频率偏移、频点不准严重会起振困难、偶尔不起振、波特率偏差串口乱码、时钟不稳定。单片机芯片正下方不铺铜BGA/QFP 贴片短路风险贴片回流焊时芯片封装下方焊盘、锡膏如果底下有大面积铜皮铜吸热大受热不均容易虚焊、冷焊QFP 引脚下方铜皮也容易造成锡珠引脚短路。寄生电容影响高速信号单片机内部高速总线芯片底部铜皮会对芯片底部焊盘引入额外寄生电容影响高速时序。散热与应力问题大面积铜散热快芯片本体与 PCB 热膨胀系数不一致温差大容易翘板。如果单片机底部有外露大焊盘Exposed PadEPAD这个焊盘必须铺铜 多打散热过孔接地PCBA3D视图