PCB 设计基础

EDA 工具选择

推荐：个人和中小企业用 KiCad 或 EasyEDA。EasyEDA 特别适合快速打样 — 画完原理图可以直接在嘉立创下单。

原理图设计要点

设计流程

1. 确认需求规格和器件选型
2. 创建元件符号（或从库中选择）
3. 绘制原理图，标注网络标签
4. 电气规则检查（ERC）
5. 生成网表，转入 PCB 设计

关键注意事项

去耦电容：每个 IC 的电源引脚旁边放一个 0.1μF 陶瓷电容，电容尽量靠近引脚。电源入口放一个大容量电解电容（10-100μF）。

晶振处理：晶振下面不走其他信号线；晶振两脚的电容值匹配 MCU 数据手册要求；晶振走线尽量短。

上拉/下拉电阻：I2C 的 SDA 和 SCL 需要上拉电阻（4.7kΩ 典型值）；按键输入需要上拉或下拉防止浮动；复位引脚通常上拉到 VCC。

# 用 Python 辅助计算电阻分压
def voltage_divider(r1, r2, vin):
    """计算分压电路输出"""
    vout = vin * r2 / (r1 + r2)
    return vout

def find_resistor_ratio(target_ratio):
    """从 E24 系列中找最接近的分压比"""
    e24 = [10, 11, 12, 13, 15, 16, 18, 20, 22, 24, 27, 30,
           33, 36, 39, 43, 47, 51, 56, 62, 68, 75, 82, 91]
    e24 = [v * 10**e for e in range(0, 4) for v in e24]  # 10Ω - 910kΩ
    
    best = (None, None, float('inf'))
    for r1 in e24:
        for r2 in e24:
            ratio = r2 / (r1 + r2)
            error = abs(ratio - target_ratio)
            if error < best[2]:
                best = (r1, r2, error)
    return best

print(find_resistor_ratio(0.3))  # 找最接近 0.3 的分压比

PCB 布局布线要点

布局原则

1. 模块化分区 — 电源区、模拟区、数字区、射频区分开
2. 先大后小 — 先放连接器、大电容、IC 等关键器件，再放小元件
3. 信号流向 — 信号从左到右或从上到下，避免交叉
4. 发热器件 — 功率管、稳压器远离热敏感器件（晶振、电解电容）

布线规则

关键注意事项

• 电源走线 — 比信号线宽（建议 20mil 以上），先经电容再进 IC
• 地线处理 — 使用地平面（Ground Plane）；模拟地和数字地单点连接
• 差分信号 — USB、以太网的差分对保持等长、并行走线
• 避开锐角 — 走线拐角用 45° 或圆弧，不用 90° 拐角
• 覆铜 — 顶层和底层铺地铜，减少 EMI

# 计算 PCB 走线载流能力
def trace_current_capacity(width_mm, thickness_oz=1):
    """
    IPC-2221 标准估算走线载流
    width_mm: 线宽(mm)
    thickness_oz: 铜厚(oz)
    内层走线系数 0.024, 外层 0.048
    """
    k = 0.048  # 外层走线
    area_sq_mil = width_mm * 39.37 * thickness_oz * 1.378
    temp_rise_C = 10  # 允许温升
    current = k * (temp_rise_C ** 0.44) * (area_sq_mil ** 0.725)
    return current

print(f"1mm 走线载流: {trace_current_capacity(1.0):.1f}A")
print(f"0.5mm 走线载流: {trace_current_capacity(0.5):.2f}A")

Gerber 文件与制板流程

完成 PCB 设计后，导出 Gerber 文件发往工厂生产。

标准输出文件集：

• .GTL — 顶层铜层
• .GBL — 底层铜层
• .GTS — 顶层阻焊层
• .GBS — 底层阻焊层
• .GTO — 顶层丝印层
• .GBO — 底层丝印层
• .GKO — 禁止布线层
• .TXT — 钻孔文件

下单参数：

• 板厚：1.6mm（标准），需要薄板选 0.8mm 或 1.0mm
• 颜色：绿色（最便宜），黑色/白色（加价）
• 表面处理：HASL 有铅（最便宜）、HASL 无铅、ENIG 沉金
• 数量：5pcs 打样约 ¥20-50，100pcs 约 ¥100-300

常见设计错误

1. 忘记放去耦电容 — 导致 IC 工作不稳定
2. 地线回路不良 — 产生噪声和 EMI 问题
3. 封装尺寸错误 — 焊接时器件放不上去，务必用 1:1 打印核对
4. 忽略热管理 — 大电流或高频率器件没有散热设计
5. 丝印被盖 — 器件的标号被焊盘挡住，维修困难

小结

PCB 设计是一项需要经验和耐心的技能。新手建议从双层板开始，用 EasyEDA 快速上手。布局时多花时间分区，布线时注意电源和地线的处理。第一次打样不要批量生产，先做 5-10pcs 验证，改完确认无误后再量产。