\title{PCB 设计基础}
\author{杨子凡}
\date{Jul 26, 2026}
\maketitle
在现代电子产品中，印刷电路板（PCB）扮演着无可替代的核心角色。无论是智能手机内部的密集多层板、笔记本电脑主板上的高密度互连，还是汽车电子控制单元里承受高温高振动的厚铜板，都离不开 PCB 提供的电气连接、机械支撑与信号传输功能。对于初学者而言，理解 PCB 设计的整体流程与关键技术要点，不仅能帮助快速上手小型项目，更能建立系统化的硬件开发思维。本文面向具备电路基础和元器件识别能力的读者，目标是通过系统梳理设计流程，使读者能够独立完成从原理图到生产文件的完整闭环。\par
\chapter{PCB 基础概念}
PCB 是一种由导电层与绝缘层交替压合而成的复合结构。导电层通常采用铜箔，用于实现元件之间的电气连接；绝缘层则提供机械支撑与层间隔离。常见的 FR-4 环氧玻璃布层压板兼具成本与性能优势，广泛应用于消费电子；铝基板凭借金属芯的优异散热能力，多见于 LED 驱动与功率模块；高频板材如 Rogers 系列则针对微波电路，通过更低的介电损耗与更稳定的介电常数，保证信号完整性。板层数量从单面板、双面板到四层、六层乃至更高，每增加一对信号层与地平面，就意味着更复杂的布线空间与更强的电磁兼容能力，但同时也带来更高的制造成本与叠层对准难度。\par
\chapter{设计流程总览}
一个完整的 PCB 设计流程始于原理图的绘制，继而生成网表文件导入布局环境，再依次完成布局、布线、设计规则检查（DRC）与生产文件输出。原理图阶段的输入是电路图纸，输出为 .sch 格式原理图与 .net 网表；布局阶段将网表映射到物理板面，输出 .pcb 或 .step 机械模型；布线完成后通过 DRC 验证电气与几何规则，最终导出 Gerber 光绘文件与钻孔文件 .drl，供 PCB 工厂制程使用。\par
\chapter{原理图设计要点}
在原理图阶段，合理的模块划分是后续布局的基础。设计者通常将电源管理、微控制器、接口电路与外设传感器分别置于不同页或不同区域，并通过层次化模块（off-sheet/off-page）实现跨页网络引用。网络命名需保持全局唯一，避免出现重复或歧义；对于未使用的引脚，应明确标记 NC 或拉至固定电平，以防止悬空引入噪声。电气规则检查（ERC）会自动扫描电源冲突、未连接节点与重复命名等潜在错误，及早发现原理图层面的问题，可显著降低后续调试成本。\par
\chapter{布局策略}
布局的第一要务是分区隔离：模拟电路与数字电路在空间上分离，避免高频开关噪声通过地平面耦合到敏感模拟节点；高速信号与低速信号分区可减少串扰；电源模块则应紧邻负载以缩短大电流路径。热管理方面，对于持续电流超过 2 A 的走线，需加宽铜皮或增加散热过孔，将热量传导至内层或底面铜皮；机械约束包括安装孔距板边至少 5 mm，元器件高度限制在壳体净空内，以及在板边预留 0.5 mm 工艺边以便 SMT 贴装。信号完整性初步考虑则要求时钟晶振尽量靠近 MCU 时钟引脚，高速差分对长度匹配误差控制在 ±0.1 mm 以内。\par
\chapter{布线规则与技巧}
线宽与线距的选择需兼顾电流承载能力与阻抗控制。对于外层 1 oz 铜厚，走线宽度每增加 0.2 mm，约可承载 0.5 A 电流；内层因散热条件较差，需进一步加宽或增加铜厚。电源与地平面推荐采用星型拓扑或完整平面分割，避免细长孤岛造成地电位偏移；去耦电容应紧贴 IC 电源引脚，采用「先小后大」的并联策略，覆盖从 100 nF 到 10 µF 的频段。差分布线要求等长、等距，并确保参考平面连续，必要时可采用蛇形走线补偿长度差。常见错误包括直角拐弯（会造成阻抗突变）、细长孤岛（形成天线效应）以及悬空地平面（增加辐射发射），均应在 DRC 阶段严格规避。\par
\chapter{设计验证与生产准备}
完成布线后，需依次执行 DRC、ERC 与 LVS（版图与原理图一致性检查）三重验证。阻抗控制通过叠层设计实现，以四层板为例，典型结构为「信号-地-电源-信号」，外层走线参考相邻地平面，阻抗可控制在 50 Ω 单端或 100 Ω 差分。Gerber 文件输出时需确认最小环宽、开窗尺寸与字符位置符合工厂工艺能力；DFM 检查清单包括 0.2 mm 最小线宽、0.3 mm 最小环宽、字符高度不小于 0.8 mm 等。打样阶段需指定阻焊颜色、工艺边宽度与拼板方式；量产时则需评估良率、成本与交期，必要时可采用 V-CUT 或邮票孔拼板以提升贴装效率。\par
\chapter{进阶学习路径与资源推荐}
掌握基础后，可借助开源工具 KiCad 进行完整流程练习，熟悉 Altium Designer 或 Cadence Allegro 则有助于参与商业项目。理论方面，《高速数字电路设计》系统阐述了信号完整性、电源完整性与电磁兼容的分析方法；视频资源如 B 站「Phil’s Lab」与 YouTube「GreatScott!」系列，通过实际案例演示布局与仿真技巧。社区方面，EEVblog 论坛、立创开源广场与 Reddit r/PrintedCircuitBoard 提供丰富的问答与开源项目，可加速经验积累。建议从 Arduino Nano 扩展板或 ESP32 开发板等成熟项目入手，在实践中验证叠层、阻抗与热设计，最终形成可复用的设计模板。\par
