PCB 设计基础

PCB 是什么

PCB (Printed Circuit Board) — 在绝缘基板上通过铜箔走线连接电子元件的载体。

PCB 层叠 (Stackup)

常见层数选择

2 层: 简单电路 (Arduino shield 级别)
  顶层: 信号+元件
  底层: GND 铺铜 + 少量走线

4 层: 标准工业板 ★ 性价比最高
  Top:  信号+元件
  L2:   GND (完整地平面!)
  L3:   Vcc (电源平面)
  Bottom: 信号+元件

6+ 层: 高速/高密板 (DDR, FPGA, 手机主板)

为什么要有完整地平面

1. 每个信号都有紧邻的回流路径 → 小环路 → 低 EMI
2. 特性阻抗可控 (微带线/带状线)
3. 电源分配网络 (PDN) 的低阻抗路径
4. 层间电容 (GND-Vcc 平面形成天然去耦电容)

走线 (Routing)

线宽与载流

经验 (1oz 铜, 外层):
  10mil (0.254mm) → ~1A  (温升10°C)
  20mil → ~2A
  50mil → ~4A
  100mil → ~8A

大电流用铺铜 (pour) 代替走线
内层载流能力 ≈ 外层的一半

间距 (Clearance)

低压 (<50V): 6~8mil 即可
市电 (220V): 至少 2.5mm (爬电距离)
差分对: 线距紧密且恒定 (如 5mil)

差分对走线

USB, HDMI, LVDS, Ethernet...

规则:
  1. 两条线等长 (长度匹配 ±5mil)
  2. 等间距 (恒定间隔)
  3. 同层走线
  4. 尽量少过孔
  5. 参考连续的地平面

阻抗控制

高速信号需要控制特性阻抗:

微带线 (外层):
  Z₀ ≈ 87/√(εr+1.41) × ln(5.98H/(0.8W+T))

H: 线到参考面的距离
W: 线宽
T: 铜厚

常用: USB 90Ω 差分, 50Ω 单端
      HDMI 100Ω 差分
      SDI  75Ω 单端

告诉板厂阻抗要求 → 他们调整线宽

过孔 (Via)

通孔 (Through-hole): 贯穿所有层 — 最便宜
盲孔 (Blind): 外层到内层 — 贵
埋孔 (Buried): 内层到内层 — 很贵

过孔载流: 通常 <1A
  大电流并联多个过孔

过孔寄生:
  寄生电感 ≈ 1nH
  寄生电容 ≈ 0.5pF
  高速信号尽量少打过孔

元件布局

基本原则

1. 先放固定位置元件 (连接器、开关、LED)
2. 核心 IC 居中
3. 去耦电容尽量靠近 IC 电源引脚 (越近越好!)
4. 晶振靠近 IC (走线尽量短)
5. 大功率元件分散开, 热源远离温度敏感元件
6. 模拟区与数字区分开

去耦电容布局

               IC
           ┌────────┐
           │  VDD   │
           │        │
 GND ← ──┤│──────┤├──  ← 从 VDD 到电容到 GND 的回路最短!
           │ 0.1μF  │
           │        │
           │  VSS   │
           └────────┘

放置顺序: IC引脚 → 电容 → 过孔到地平面
不要:  IC → 过孔 → 电容 (回路大了)

晶振布局

    ┌─────┐
    │ MCU │
    │ Xin Xout │
    │  │   │  │
    │  │  ┌┴┐ │
    │  └──┤C├─┘
    │    ┌┴┐ 
    │    │C│
    └────┘┬┘
         GND

晶振紧靠 IC, 走线等长对称
晶振下方铺地 (不要走线穿过)
负载电容接晶振和 GND

电源分配

星型 vs 平面

星型: 电源从一点分出 → 各自供电
  适合: 模拟与数字分开

平面: 整个层是电源
  适合: 高速数字电路 (低阻抗)

混合: 一个完整地平面 + 分割的电源平面
      模拟电源和数字电源分开, 单点连接

去耦电容网络

大电容 (10μF~100μF 电解/钽):
  处理低频瞬态, 放在电源入口

小电容 (0.1μF 陶瓷 MLCC):
  每个 IC 电源引脚一个!
  放在引脚旁 (越近越好)

极高频电容 (1nF~10nF):
  超大 IC (FPGA/CPU) 可能需要

原理: 不同容值处理不同频率的噪声
  大电容 → 低频, 小电容 → 高频

丝印与文档

丝印 (Silkscreen):
  - 元件编号 (R1, C5, U3)
  - 连接器功能标注
  - 极性标记 (二极管, 电解电容+)
  - 测试点标记
  - 板名/版本号

Mark点 (Fiducial):
  不覆阻焊的裸铜圆点 → 贴片机自动对位用
  板角放 2-3 个 (拼板必须)

Gerber 文件

发给板厂的标准格式:

必需文件:
  *.GTL  — 顶层铜
  *.GBL  — 底层铜
  *.GTS  — 顶层阻焊
  *.GBS  — 底层阻焊
  *.GTO  — 顶层丝印
  *.GBO  — 底层丝印
  *.GKO  — 板框 (Keep-out / Outline)
  *.TXT  — 钻孔文件 (NC Drill)

生产前检查: 在线 Gerber Viewer 预览

快速检查清单

□ DRC 通过 (间距、线宽、过孔)
□ 去耦电容每个 IC 都有
□ 晶振靠近 IC、走线短
□ 连接器方向正确 (1 脚标记)
□ 极性元件方向正确
□ 丝印无遮盖焊盘
□ 测试点放置
□ 板框闭合
□ 安装孔尺寸正确
□ 大电流路径线宽足够
□ 天线区域无铺铜 (无线模块)

关键词: PCB, 层叠, 走线, 阻抗, 过孔, 去耦, 布局, Gerber, 差分对