🔌 PCB 设计¶
从原理图到实物板子——使用嘉立创 EDA（LCEDA）完成 PCB 设计的完整流程与核心知识。
一、什么是 PCB¶
PCB（Printed Circuit Board，印制电路板）是电子设备的"骨架"，用铜箔导线将各个元器件电气连接在一起，同时提供机械支撑。
| 概念 | 说明 |
|---|---|
| 基板 | FR-4 玻纤板是最常见的材料，绿色/蓝色/黑色是阻焊层颜色 |
| 铜层 | 导电层，常见 1oz（35 μm）厚度，用于走线和铺铜 |
| 阻焊层 | 覆盖在铜层上的绝缘漆，防止短路、氧化 |
| 丝印层 | 印刷元器件标号、方向、版本号等信息 |
| 过孔（Via） | 连接不同铜层的金属化通孔 |
常见板层结构：
| 层数 | 典型用途 | 成本 |
|---|---|---|
| 2 层 | 简单控制板、传感器板 | 低 |
| 4 层 | 中等复杂度，带电源/地平面 | 中 |
| 6+ 层 | 高速信号、高密度设计 | 高 |
二、嘉立创 EDA 简介¶
嘉立创 EDA 是国产免费 EDA 工具，提供在线版和桌面客户端（标准版 / 专业版），与嘉立创打样、贴片深度集成。
版本选择
- 标准版：适合入门、中小型项目，操作简单，元器件库丰富
- 专业版：支持多 Sheet 原理图、差分对、等长布线等高级功能，适合复杂项目
核心优势：
- 内置立创商城元器件库，原理图符号 + PCB 封装 + 3D 模型一键调用
- 与嘉立创打样无缝对接，一键下单
- 支持嘉立创 SMT 贴片，自动生成 BOM 和坐标文件
- 免费使用，无功能限制
三、PCB 设计完整流程¶
下面是从需求到实物板的完整流程：
flowchart TD
A[需求分析与方案设计] --> B[元器件选型]
B --> C[绘制原理图]
C --> D[原理图审查 ERC]
D --> E[分配封装]
E --> F[导入 PCB 编辑器]
F --> G[板框绘制与层叠设置]
G --> H[元器件布局]
H --> I[布线与铺铜]
I --> J[设计规则检查 DRC]
J --> K[生成制造文件]
K --> L[打样下单]
L --> M[焊接与调试]
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style C fill:#fff3e0
style H fill:#fff3e0
style I fill:#fff3e0
style J fill:#ffebee
style L fill:#e8f5e9阶段说明¶
1. 需求分析与方案设计¶
在动手之前，先明确：
- 板子要实现什么功能？（电机驱动？传感器采集？通信？）
- 供电方案是什么？（电压、电流、电池/USB/外部电源？）
- 有哪些接口？（UART、SPI、I2C、CAN、USB？）
- 尺寸和安装约束？（固定孔位、外壳匹配？）
先画框图再画原理图
用纸笔或画图工具画出系统框图，明确各模块之间的关系和信号流向，避免边画边改。
2. 元器件选型¶
根据方案选择具体芯片和器件，注意：
- 供货情况：优先选择嘉立创商城有货的器件（方便贴片）
- 封装形式：手焊选大封装（0805、LQFP），机贴可选小封装（0402、QFN）
- 参考设计：找芯片的 Datasheet 和参考电路，大幅降低出错概率
- 替代料：关键器件准备替代方案
3. 绘制原理图¶
在嘉立创 EDA 中绘制电路原理图：
- 从立创商城库搜索并放置元器件符号
- 使用导线（Wire）连接各引脚
- 使用网络标签（Net Label）进行跨区域连接
- 添加电源符号（VCC、GND 等）
- 为每个有源器件添加去耦电容
👉 详见 原理图设计
4. 原理图审查（ERC）¶
运行电气规则检查（ERC），自动检测：
- 未连接的引脚
- 电源短路
- 网络标签拼写错误
- 引脚类型冲突
ERC 全部通过 ≠ 电路正确
ERC 只检查连接关系，不检查电路功能。务必人工审查关键电路参数（分压、限流、时序等）。
5. 分配封装¶
确保每个元器件都有正确的 PCB 封装：
- 嘉立创商城器件默认带封装，检查是否匹配
- 自定义器件需手动绑定或创建封装
- 确认焊盘尺寸与实际器件匹配（查看 Datasheet 推荐封装）
6. 导入 PCB 编辑器¶
从原理图转换到 PCB（快捷键或菜单操作），所有器件和网络关系导入到 PCB 编辑器中，此时元器件堆叠在一起，需要手动布局。
7. 板框与层叠设置¶
- 在Board Outline 层绘制板框（矩形、异形均可）
- 添加定位孔（M3 螺丝孔常用）
- 设置层叠结构（2 层 / 4 层）
8. 元器件布局¶
布局是 PCB 设计中最重要的步骤之一：
- 按功能模块分区放置
- 关键器件优先（MCU、电源、连接器）
- 遵守 Datasheet 推荐的布局要求
- 考虑散热、信号完整性、可焊性
👉 详见 PCB 布局与布线
9. 布线与铺铜¶
将所有网络用铜走线连接起来：
- 电源线加粗、信号线适当
- 关键信号短而直
- 铺铜连接地网络，提供回流路径
👉 详见 PCB 布局与布线
10. 设计规则检查（DRC）¶
运行 DRC 检查：
- 间距违规（走线-走线、走线-焊盘、走线-过孔）
- 未布线的网络
- 最小线宽 / 最小间距
👉 详见 设计规则与检查
11. 生成制造文件¶
通过 DRC 后，生成下单所需文件：
- Gerber 文件：制板用（每层一个文件）
- BOM 文件：物料清单
- 坐标文件（Pick & Place）：SMT 贴片用
- 钻孔文件：过孔和安装孔定义
👉 详见 生产制造与打样
12. 打样与焊接调试¶
- 嘉立创下单打样（最快 24h 发货）
- 收到板子后检查外观
- 焊接元器件（先焊难焊的，后焊容易的）
- 上电前万用表检查短路
- 逐模块调试
四、各专题详细笔记¶
| 专题 | 内容 |
|---|---|
| 原理图设计 | 嘉立创 EDA 原理图绘制、符号库使用、ERC 检查 |
| PCB 布局与布线 | 元器件布局原则、布线策略、铺铜、过孔使用 |
| 元器件与封装 | 常见封装类型、封装选择、自定义封装创建 |
| 设计规则与检查 | DRC 规则、电气安全间距、信号完整性基础 |
| 生产制造与打样 | Gerber 生成、BOM 管理、嘉立创下单与 SMT 贴片 |
五、PCB 设计常见错误速查¶
新手高频翻车点
| 错误 | 后果 | 预防 |
|---|---|---|
| 去耦电容离芯片太远 | 电源噪声大，芯片不稳定 | 紧贴电源引脚放置 |
| 电源线太细 | 压降大、发热 | 根据电流计算线宽 |
| 没有铺地铜 | EMI 差、信号回流路径长 | 空白区域铺铜接地 |
| 封装焊盘与实物不符 | 焊接困难或无法焊接 | 打板前核对 Datasheet |
| 丝印压在焊盘上 | 影响焊接质量 | DRC 检查+手动确认 |
| 安装孔忘记留净空 | 螺丝短路周围走线 | 安装孔周围 Keep-out 区域 |
| 信号线跨分割面 | 回流路径断裂，EMI 恶化 | 保持关键信号在连续参考面上方 |
六、常用计算公式¶
线宽与载流能力¶
外层走线载流估算（IPC-2221）：
其中：
- \(I\)：电流（A）
- \(k\)：外层取 0.048，内层取 0.024
- \(\Delta T\)：温升（°C）
- \(A\)：截面积（mil²），\(A = W \times t\)（\(W\) 为线宽，\(t\) 为铜厚）
经验速查
1oz 铜厚外层，10°C 温升下：
| 线宽 (mil) | 线宽 (mm) | 载流量 (A) |
|---|---|---|
| 10 | 0.254 | ~0.5 |
| 20 | 0.508 | ~1.0 |
| 50 | 1.270 | ~2.0 |
| 100 | 2.540 | ~3.5 |
阻抗计算¶
微带线（Microstrip）特征阻抗近似公式：
其中 \(h\) 为介质厚度，\(w\) 为线宽，\(t\) 为铜厚，\(\varepsilon_r\) 为介电常数（FR-4 约 4.2~4.5）。
总结¶
PCB 设计的核心思路：先规划、再实施、后验证。
flowchart LR
A[方案设计] --> B[原理图] --> C[PCB布局布线] --> D[检查验证] --> E[生产制造]每一步都有对应的专题详解，建议按顺序阅读，遇到问题时回来查阅常见错误速查表。