一篇“从入门到上手”的PCB设计教程

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2020年6月3日 09时00分

这是一篇面向神马都不懂的小白玩家的PCB设计教程。希望能帮助大家快速上手PCB的设计。

1 预备知识

1.1 常用工具

 

1.2 参考资料

 

1.3 电子电路预备知识

你所需要的基本知识,在这一部分我都会尽量介绍完全啦!看完以后,应该对PCB设计会更加手拿把攥了。

 

1.3.1 元件封装是什么?

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

一篇“从入门到上手”的PCB设计教程插图

 

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

一篇“从入门到上手”的PCB设计教程插图(1)

  •  
  • QFP封装:Quid flat package 四侧引脚扁平封装

一篇“从入门到上手”的PCB设计教程插图(2)

 

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

一篇“从入门到上手”的PCB设计教程插图(3)

 

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

一篇“从入门到上手”的PCB设计教程插图(4)

 

  • CSP封装:Chip scale package 芯片级封装

一篇“从入门到上手”的PCB设计教程插图(5)

 

  • SIP封装:Single in-line package 单列直插封装

一篇“从入门到上手”的PCB设计教程插图(6)

 

  • DIP封装:Double in-line package 单列直插封装

一篇“从入门到上手”的PCB设计教程插图(7)

 

1.3.2 电阻、电容、电感、磁珠、二极管、三极管是什么?

对于在PCB板中,常常使用到的元器件类型可能大家还需要进一步的了解。

 

(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。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。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。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。

(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。

 

1.3.3 数字0402、0603到底代表什么?

这些数字指的是电阻、电容、电感等贴片元件的封装大小。

 

下图中包含了这些封装与尺寸的关系:

 

一篇“从入门到上手”的PCB设计教程插图(8)

 

1.3.4 电源设计是什么?

这里说的电源,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。

 

这一块对于初学者来说可能算是比较复杂的部分了。如果要从头设计一个开关电源,那是非常复杂的,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。但是好在,开关电源文档上都会有典型应用,我们初学者需求应该都比较简单,文档上大概率会有对应的典型应用的!

 

2 设计过程

掌握了以上的基本知识,并且已经把推荐视频看过以后,大家就可以开始正式进入PCB的设计过程了。总体上,PCB设计可以分为两个部分,一是绘制原理图,二是PCB布线。

 

2.1 绘制原理图

2.1.1 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,我们需要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,否则就算你画出板子来,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。大家可以去下载嘉立创的库,里面元件还是挺全的。

 

另外,建议大家把元件的3D模型加上,这样切换3D视图就可以看到板子做好以后的全貌了!!!

 

2.1.2 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!!!

 

这里分享我的一个小方法:

 

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。

 

另外,CSDN上也有挺多资源的,可以在这上面下载。

 

最后,大家在搜索资源的时候请用Google吧,百度能搜到的东西实在太少了。。。

 

2.2 PCB布线

2.2.0 规则设置

这部分内容比较多,但最重要的是“导线宽度与安全间距”,这个设置好应该就没有太大问题。

 

2.2.1 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
  • 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

 

2.2.2 布信号线

一般原则:

 

  • 信号线宽10~15mil。一般是11mil。
  • 不能走锐角线,直角线也尽量不要。
  • 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。
  • 过孔孔径一般可选12,24
  • 双面板的两面导线尽量避免平行走线
  • 信号线不要形成环路,如果必须有环路,那么越小越好

 

STM32:

 

  • 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
  • 晶振下面不要过信号线
  • 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
  • 芯片下方可以走信号线,不用太担心

 

2.2.3 布电源线

  • 电源线宽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

 

2.2.4 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

 

2.2.5 滴泪

 

2.2.6 覆铜

 

2.2.7 检查

 

3 实际制作

3.1 PCB板制作

嘉立创就可以制作PCB板,价格很实惠。但是,这只是单纯的板子,没有焊接任何元件。

 

3.2 PCB板元件焊接

大家可以自己上淘宝买回来所有元器件的原料,自己手工焊板子。当然,淘宝上有很多PCB代焊的店家,他们可以提供包工包料的服务,只不过价格可能会稍贵一些。

 

4 最终测试

这一步,只能默默祷告千万不要出什么问题了。不然这当中的问题排查就比较复杂了,暂时不在这篇文章里细说啦。

 

结束语

 

希望这篇文章对初学者有些帮助。祝大家制作板子顺利,早日成为硬件大师!

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