PCB设计入门笔记

使用立创EDA进行简单的PCB设计

基础入门知识

一些软件

• Autun Designer(适合复杂工程以及工作使用)
• 立创EDA (国内软件，更简单易学)
• Multisim ：主要是做电路仿真(原理图)

元件封装

元件封装，简单的说，一是指元件的包装方式，二是指元件的焊盘形状与尺寸。
在绘制PCB板的时候，首先要保证元件封装绘制正确，否则元件很可能无法焊接到成品板上。

不同的厂家生产的各类元器件的形状、尺寸上都有较大的差异，因此元件的封装也有很多不同的形式。但是总体而言，目前的封装主要分为两类。一类是直插式，一类是贴片式。另外，详细划分，又可以划分为以下多类：

• SOP/SOIC封装：Small outline package 小外形封装

• PLCC封装：Plastic leaded chip charrier 塑料J引线芯片封装

• QFP封装：Quid flat package 四侧引脚扁平封装

• QFN封装：Quid flat non-leaded 四侧无引脚扁平封装

• BGA封装：Ball grid array package 球栅阵列封装

• CSP封装：Chip scale package 芯片级封装

• SIP封装：Single in-line package 单列直插封装

• DIP封装：Double in-line package 双列直插封装

基础元件

1. 电阻比较简单，通常使用到的都是贴片电阻。

2. 电容复杂一些，常用的类型有：陶瓷电容、电解电容等。

• 陶瓷电容属于无极性电容，通常有X7R电容和Y5V电容两种，个头都比较小。
  • 一般而言，陶瓷电容的容值都比较小，而电解电容的容值更大。
• 电解电容是有极性电容，包括铝电解电容、钽电解电容（坦电容）等。
  • 另外，铝电解电容的个头一般很大，且是直插式封装；而坦电容个头较小，贴片封装。 原理图中，有些电容旁边带有+号，这就代表了有极性电容。

3. 电感常用的是贴片叠层电感和贴片功率电感。

• 贴片叠层电感体积很小，而贴片功率电感体积稍大，更适合大电流、高感值的场合。

4. 磁珠实际上是单匝的线圈，也可以说是单匝电感，其电感量很小。专用于抑制信号线、电源线上的高频噪声和尖峰干扰。

5. 二极管比较常用的是LED灯二极管、肖特基二极管。

• 肖特基二极管： 具有低正向压降和非常快速的开关动作的半导体二极管

6. 三极管常用的有三极管和场效应管（MOS管）。

• 三极管是电流控制元件，分为PNP和NPN两类，三极分别为基极、发射极、集电极。* MOS管是电压控制元件，分为P沟道和N沟道两类，另一种分法是增强型和绝栅型，三极分别为栅极、源极、漏极。

数字0402、0603代表什么

这些数字指的是电阻、电容、电感等贴片元件的封装大小。

晶振

石英晶体振荡器是利用石英晶体的压电效应制成的一种谐振器件.

1. 它的基本构成大致是：从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片，在它的两个对应面上涂敷银层作为电极，在每个电极上各焊一根引线接到管脚上，再加上封装外壳就构成了石英晶体谐振器，简称为石英晶体或晶体、晶振。其产品一般用金属外壳封装，也有用玻璃壳、陶瓷或塑料封装的。
2. 压电效应：若在石英晶体的两个电极上加上一电场，晶片就会产生机械变形。反之，若在晶片的两侧施加机械压力，则在晶片相应的方向上将产生电场，这种物理现象称为压电效应。
3. 晶体的等效阻抗具有串联谐振，其中Cs在晶体工作频率下与电感Ls谐振。该频率称为晶体系列频率ƒs。除了这个串联频率之外，当Ls和Cs与并联电容器Cp谐振时产生并联谐振，如下图所示。

4. 晶振的作用:在各种电路中，产生震荡频率,为系统提供基本的时钟信号。（频率越高，单片机运行的速度越快）

• 通常一个系统共用一个晶振，便于各部分保持同步。有些通讯系统的基频和射频使用不同的晶振，而通过电子调整频率的方法保持同步。
• CPU和单片机都是以周期为最小工作单位的。例如给CPU一个1秒的方波，为了给CPU一个11111111的信号，但是CPU怎么分辨这是一个1还是八个1，依靠的就是周期，周期的确定，就是依靠的晶振和震荡电路实现的。

5. 晶振的分类：
   晶体振荡器也分为无源晶振 和有源晶振两种类型。
   无源晶振与有源晶振（谐振）的英文名称不同，无源晶振为crystal（晶体），而有源晶振则叫做oscillator（振荡器）。

• 无源晶振需要借助于时钟电路才能产生振荡信号，自身无法振荡起来，所以“无源晶振”这个说法并不准确（需要外围电路、成本低）。
• 有源晶振是一个完整的谐振振荡器。石英晶体振荡器与石英晶体谐振器都是提供稳定电路频率的一种电子器件（自带振荡，真正意义上的晶振，成本较高，稳定性强）。
  • 石英晶体振荡器是利用石英晶体的压电效应来起振，而石英晶体谐振器是利用石英晶体和内置IC共同作用来工作的。
  • 振荡器直接应用于电路中，谐振器工作时一般需要提供3.3V电压来维持工作。
  • 振荡器比谐振器多了一个重要技术参数：谐振电阻（RR），谐振器没有电阻要求。RR的大小直接影响电路的性能，因此这是各商家竞争的一个重要参数。

电源设计

电源，指的就是给PCB板供电的电源。

实际应用中常会遇到这种情况：我们用电池给PCB板供电，电池电压可能是3.7V、7.4V或者是12V的。然而，板上的元器件需要的供电电压，可能与外部电源电压不符。比如，单片机往往需要3.3V供电，一些超声波传感器需要5V供电，有些电机还需要12V供电。这样就要求我们，通过设计升压、降压或者升降压电路，变换外部电源输入从而满足所有元器件的要求。这也就是这里所说的——电源设计。

通常PCB设计中使用的电源有两类：开关电源和线性电源。（这里主要说直流电源）

• 开关电源，优势在于效率高。但是其有纹波，外围电路复杂，体积大，设计比较困难。通常包括有，升压（Boost）、降压（Buck）、升降压（Buck-Boost）和反相等电路。

• 线性电源，优势在于外围电路简单，体积小，纹波很小。但是效率低、发热严重。一般而言，线性电源只能做降压，而不能升压，降压的那一部分全都化作发热耗散掉了，所以效率低。

  • 另外，还有一类线性电源叫做LDO（低压差线性稳压器），它的特点是可以在降压压差很低的情况下使用。

如果要从头设计一个开关电源，需要把电源芯片的文档看得很熟，然后按照其计算方法，把用到的电阻阻值、电感感值、电容容值都计算出来。

开关电源文档上都会有典型应用，平时多看文档说明书，学会借鉴。

VCC、VDD和VSS

1. 解释 ：

• VCC：C=circuit 表示电路的意思, 即接入电路的电压；
• VDD：D=device 表示器件的意思, 即器件内部的工作电压；
• VSS：S=series 表示公共连接的意思，通常指电路公共接地端电压。

2. 说明

• 对于数字电路来说，VCC是电路的供电电压,VDD是芯片的工作电压（通常Vcc>Vdd），VSS是接地点。
• 有些IC既有VDD引脚又有VCC引脚，说明这种器件自身带有电压转换功能。
• 在场效应管（或COMS器件）中，VDD为漏极，VSS为源极，VDD和VSS指的是元件引脚，而不表示供电电压。

封装实践

在嘉立创EDA专业版中支持2种符号库管理：

• 简易模式： 与标准版建库兼容
• 专业模式： 支持更多复用功能

简易模式：建立0603大小的贴片电阻器件

点击新建器件，命名符合规范：R0603,R表示电阻，0603为尺寸规则。

这里的分类是元器件的分类，起初默认没有，需要自己新建。根据需要添加描述。

再点击保存，进入器件的编辑页面。

新建元器件

• 位号修改为R，因为我们的器件是电阻。
• 开始新建电阻的符号（中间是矩形，两侧引脚引出），先将格点尺寸固定为0.05

• 点击放置，绘制一个矩形，调整为合适的大小，再放置两个引脚，摁空格键进行旋转，Ctrl+S保存。

新建封装

点击文件-新建-封装

• 命名仍为R0603,分类表示是封装的分类，描述按需要填写。

• 点击保存，进入封装界面。

• 封装的大小直接决定实物能否成功焊接，需要按照厂商的数据手册进行设计。

• 放置一个焊盘，选择图层为顶层，形状为矩形,根据数据手册的封装尺寸设置长和宽。数据手册的焊盘有两个，因此复制一下，修改一下焊盘编号，要求焊盘编号和引脚的编号一一对应。

• 点击工具-智能尺寸，设置两个焊盘之间的间距。之后退出智能尺寸，这样焊盘就绘制完成了。

• 选择图层为顶层丝印层，放置线条-折线,绘制边框用于提示作用，再Ctrl+S保存。

绑定到个人库

回到符号编辑器页面，选择封装-个人-电阻-R0603-确认进行绑定。

• 更新3D模型：目前嘉立创不支持用户自己绘制3D模型，可以直接在系统中搜索相同尺寸的模型更新。

在工程中使用个人库中的封装电阻

在自己的工程中，点击下方的库，选择个人，找到R0603电阻封装，点击放置即可。

专业模式：建立贴片LM393封装元器件

• 先切换为专业模式，然后新建器件，器件分类需要新建比较器，保存进入器件编辑界面。
• 专业模式下还需要对符号分类进行设置，新建比较器符号分类。

• 新建符号：打开LM393数据手册，然后在界面中点击向导，选择类型为DIP，左右引脚均为4，其余参数默认，点击生成符号。

• 根据数据手册中的引脚设置，编辑器件的引脚标签。

如果引脚很多切由多个独立部分组成，可以分离设计封装

• 切换最小间隔为0.05mm，用折线绘制符号。两个独立的部件分开绘制，然后保存。

• 新建封装：点击文件-新建-封装，命名为SOP-8（这个是LM393厂家采用的封装规格），同样新建比较器的封装类，进入封装设计界面。根据数据手册的封装尺寸要求，绘制封装。

• 在原点处放置一个焊盘，顶层，长圆形。一般绘制的时候，这种多引脚的器件，焊盘需要比既定尺寸扩大1.4倍。

• 可以使用底部对齐快速对齐焊盘。

• 切换到顶层丝印层，绘制矩形，根据数据手册调整长宽。注意不要让丝印层和焊盘有接触，稍微调整一下。

• 这样做如果嫌麻烦，也可以点击向导，提供了许多封装规格，可一键生成。

• 绑定封装和3D模型，注意3D模型中搜索sop-8需要对齐小圆孔，顺序一致。

• 多部件单独设计时，原理图是独立分开的，一定要全部放上去，不要遗漏。

入门的第一块板子

原理图设计

• 第一步：文件-新建工程
• 第二步：原理图设计
• 第三步：设计完原理图之后Ctrl+S保存，再点击设计-原理图转PCB-Ctrl+S保存PCB文件在工程文件中
  -修改原理图之后，可以设计-更新PCB，再保存一次

关于原理图设计的一些小tips

制作元件库和封装库

这是绘制原理图的前期准备。这一步的重点是，需初步确定会用到的元器件，并且去淘宝上搜索这些元器件对应的封装与尺寸。一定要按搜到的尺寸绘制封装库，否则就算画出板子来，也可能买不到合适大小的元器件。

当然，能找到现成可用的库是最好的，就不用自己画了。嘉立创的库元件挺全的。

画电路原理图

对于初学者而言，这一步的关键在于善于借鉴！！！

想要实现什么功能，可以先到淘宝上搜这个功能对应的模块，然后看看能不能下载到它的资料，或者搞清楚它用的芯片，然后参考芯片的技术文档。最后，把模块资料里或是技术文档里的应用电路图搬过来就OK了。

一些元件的知识：

• 端子：用于供电，可以解决使用排针供电时，使用杜邦线容易松动导致供电的供电问题。

  • 一般板子设计的时候，端子供电和排针供电都加上。

• 二极管：

  • SS56：用于防止反接的二极管
    -不同的封装画出来的PCB效果就不一样，相同的封装，即使前面的型号不同，效果也是一样的。
  • 1N4148：普通的二极管

• GND：在PCB设计中，板子接地特别重要，需要在供电的端子或者排针中留一个端给GND

  • 一个PCB板可以画多个板子，但是不同板子的接地不一样，一定要区分开
    *基础库和元件库

• 连接器：其实就是排针，可以选1×n的，表示一排n个针脚。

• 滤波电容(电容，电阻一般用的都是C0805的贴片封装)

  • 贴片电容没有正负，直插的电容是有正负的
  • 常用大小:100nF

• BWSMA：信号线的接头，可以防止一些信号的干扰,作为信号的输入/输出

  • 1,2,3,4头都是接地GND，5号头是接入电路的
  • 一般会加一个排针，作为输出的planB，但是使用排针输入信号的时候，要注意单独再拿一个排针接地(BWSMA的铜皮已经考虑过接地了)

• 运放：可以根据自己的电路选择不同的运放

  • 双运放:一个封装里面有两个独立的运放，在原理图里面是两个分开的5脚运放，但是有两个虚拟的供电引脚，因为在实际双运放供电中，两个运放的供电是同一对引脚

一些快捷键

1. 鼠标左键选中元件，空格可以旋转元件
2. 电气工具栏可以放置一些常用的工具，例如连接走线，网络标签啥的
3. 软件使用时shift+滚轮是界面左右滑；ctrl+滚轮是界面上下滑；直接滚轮是界面放大缩小；shift+s是只显示当前层，再次shift+s就回来了
4. PCB工具栏是在PCB排版和飞线的时候常用的一些工具，比如过孔，焊盘

PCB走线

1. 关于层数：

• 顶层(红色)和底层(蓝色)都可以飞线，顶层的线和底层的线尽量避免平行走线,最好垂直布线，这样两层之间的走线影响最小
  • 焊盘才能走底层的飞线，否则就是打孔
  • 过孔孔径一般可选12，24
• 顶层丝印层：打印一些文字批注，整一些二次花活啥的
  • 丝印不要遮挡焊盘，另外丝印的作用主要是方便后期焊接找准元器件位置，所以要尽可能保持丝印清晰可见
• 边框层：绘制板子的边框

2. 元件布局，让飞线尽量少交叉

• 定位孔：放焊盘或者大的过孔即可。
  • 常用的过孔尺寸:直径157.48 过孔内径：137.786

3. 视图-3D预览
4. 步骤：

• 第一步：元件布局

  • 同一功能模块布局要尽量紧凑。有些特殊的元器件，布局前最好参考其技术手册，使用其推荐的PCB布局方式（比如某些电源芯片或传感器芯片，这样可以提高应用性能）
  • 发热大、电流大的元件要远离单片机

• 第二步：边框层

• 第三步：飞线

  • 少打孔，少转弯，少直角，不同网格的线离远一点
  • 线宽：
    电源:30~50mil（单片机等电流很小的器件的电源线可以细一点，16mil的线能过0.9A电流，单片机需要的不会超过0.2A）, 过孔也要相应变大，可选25，50
    信号线:信号线宽10~15mil。一般是11mil。
  • 信号线不要形成环路，如果必须有环路，那么越小越好
  • 对于细引脚来说，使用的线径最好在不超过引脚宽度的情况下尽可能宽。
  • 布地线,地线不一定要全部布通，可以最后通过覆铜来把所有地导通

• 第四步：设置泪滴，防止走线直角

• 第五步： 接地——铺铜：在PCB工具栏中。

  • 底层和顶层都铺，将其网络设置为GND层
  • 点中铺铜的两个虚框，分别把焊盘连接选择改为直连

STM32：

1. 晶振要尽可能离单片机近，尽可能保持接晶振的线等长平行

2. 晶振下面不要过信号线

3. 要接滤波电容。有几个VCC和GND就要接几个滤波电容，滤波电容尽量离单片机近

4. 芯片下方可以走信号线，不用太担心

打板子

在嘉立创官网下载“下单助手”

1. PCB文件设计完成后，Ctrl+S保存。点击文件-生成PCB制板文件，选择生成Gerber文件，保存在自己选择的路径下。
2. 在嘉立创的下单助手APP中点击 在线下单/计价上传Gerber文件(zip无需解压)
3. 每个月嘉立创会送两次免费打样,板子尺寸要求为10×10以内
4. 可以导出BOM表，里面记录了这个板子需要的元件名称和数量

注意：嘉立创的打样只是单纯的板子，没有焊接任何元件!!需要上淘宝买回来所有元器件的原料，自己手工焊板子。