PCB设计入门：从原理图到PCB¶

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PCB设计入门：从原理图到PCB¶

学习目标¶

完成本教程后，你将能够：

掌握原理图绘制的基本规范和流程

理解PCB布局的基本原则和技巧

学会PCB布线的规则和方法

能够生成Gerber文件并完成打样流程

独立完成一个简单的LED控制板设计

前置要求¶

在开始本教程之前，你需要：

知识要求：

- 了解基本电路元件（电阻、电容、LED等）

- 熟悉简单电路的工作原理

- 掌握欧姆定律等基础电路知识

技能要求：

- 能够阅读简单的电路图

- 具备基本的计算机操作能力

- 了解文件管理和软件安装

准备工作¶

硬件准备¶

本教程将设计一个简单的LED控制板，无需实际硬件即可完成设计学习。如果你想制作实物，需要准备：

名称

数量

规格

说明

LED

5mm红/绿/蓝

发光二极管

电阻

220Ω ¼W

限流电阻

按键开关

6x6mm轻触开关

控制按键

排针

2.54mm间距

电源接口

PCB板

50x50mm

打样后获得

软件准备¶

推荐工具：KiCad 7.0+（免费开源）

下载地址：https://www.kicad.org/download/

支持平台：Windows / macOS / Linux

安装大小：约500MB

备选工具：

- Altium Designer（商业软件，功能强大）

- EasyEDA（在线工具，适合快速设计）

- Eagle（Autodesk产品，有免费版）

本教程以KiCad为例，其他工具的操作流程类似。

环境配置¶

1. 安装KiCad¶

访问KiCad官网下载对应系统的安装包

运行安装程序，按默认选项安装

首次启动时，选择语言为"简体中文"

配置符号库和封装库（使用默认配置即可）

2. 熟悉界面¶

KiCad主要包含以下工具：

项目管理器：管理整个PCB项目

原理图编辑器（Eeschema）：绘制电路原理图

PCB编辑器（Pcbnew）：设计PCB布局和布线

封装编辑器：创建和编辑元件封装

符号编辑器：创建和编辑原理图符号

项目概述¶

设计目标¶

我们将设计一个简单的LED控制板，具有以下功能：

3个LED灯（红、绿、蓝）

每个LED有独立的限流电阻

1个按键开关用于控制

电源接口（5V供电）

板子尺寸：50mm x 50mm

电路原理¶

VCC (5V) ──┬── [R1 220Ω] ── LED1 (红) ── GND

├── [R2 220Ω] ── LED2 (绿) ── GND

└── [R3 220Ω] ── LED3 (蓝) ── GND

VCC ── 按键 ── 控制信号 ── GND

工作原理：

- 通过220Ω电阻限制LED电流约为15mA

- 按键用于控制电路的通断

- 简单直观，适合初学者理解

步骤1：创建项目¶

1.1 新建工程¶

打开KiCad，点击"文件" → "新建项目"

选择保存位置，输入项目名称：led_control_board

点击"保存"

预期结果：

- 在项目文件夹中生成 .kicad_pro 项目文件

- 自动创建原理图文件 .kicad_sch

- 自动创建PCB文件 .kicad_pcb

1.2 项目设置¶

在项目管理器中，点击"项目设置"

设置基本信息：

项目标题：LED控制板

版本：V1.0

作者：你的名字

日期：当前日期

点击"确定"保存设置

步骤2：绘制原理图¶

2.1 打开原理图编辑器¶

在项目管理器中，双击 .kicad_sch 文件

原理图编辑器（Eeschema）将打开

你会看到一个空白的绘图区域

2.2 添加元件¶

添加LED¶

点击右侧工具栏的"添加符号"按钮（或按快捷键 A）

在搜索框中输入 LED

选择 Device:LED，点击"确定"

在原理图中点击放置LED

重复操作，总共放置3个LED

技巧：

- 放置后可以按 R 键旋转元件

- 按 M 键移动元件

- 按 E 键编辑元件属性

添加电阻¶

按 A 键添加符号

搜索 R 或 Resistor

选择 Device:R

放置3个电阻（每个LED对应一个）

添加按键开关¶

按 A 键添加符号

搜索 SW_Push

选择 Switch:SW_Push

放置1个按键

添加电源连接器¶

按 A 键添加符号

搜索 Conn_01x02

选择 Connector:Conn_01x02

放置1个2针连接器（用于VCC和GND）

2.3 连接元件¶

使用导线连接¶

点击右侧工具栏的"添加导线"按钮（或按 W 键）

点击起始引脚，然后点击目标引脚

按照电路原理连接所有元件

连接方案：

连接器引脚1 (VCC) ──┬── R1引脚1

├── R2引脚1

└── R3引脚1

R1引脚2 ── LED1正极

R2引脚2 ── LED2正极

R3引脚2 ── LED3正极

LED1负极 ──┬── 连接器引脚2 (GND)

LED2负极 ──┤

LED3负极 ──┘

连接器引脚1 (VCC) ── 按键引脚1

按键引脚2 ── 标记为 "CTRL"

添加电源符号¶

按 P 键添加电源符号

搜索 VCC，放置在VCC连接处

搜索 GND，放置在GND连接处

注意：电源符号会自动连接同名的网络，无需手动连线。

2.4 设置元件参数¶

编辑电阻值¶

选中电阻R1，按 E 键编辑

在"值"字段输入 220R 或 220Ω

在"封装"字段选择 Resistor_THT:R_Axial_DIN0207_L6.3mm_D2.5mm_P10.16mm_Horizontal

重复操作设置R2、R3

封装说明：

- THT = Through-Hole Technology（通孔技术）

- Axial = 轴向引脚

- L6.3mm = 电阻长度

- P10.16mm = 引脚间距

编辑LED参数¶

选中LED1，按 E 键编辑

在"值"字段输入 LED_Red

在"封装"字段选择 LED_THT:LED_D5.0mm

对LED2设置为 LED_Green，LED3设置为 LED_Blue

编辑按键参数¶

选中按键，按 E 键编辑

在"值"字段输入 SW_Push

在"封装"字段选择 Button_Switch_THT:SW_PUSH_6mm

编辑连接器参数¶

选中连接器，按 E 键编辑

在"值"字段输入 Power

在"封装"字段选择 Connector_PinHeader_2.54mm:PinHeader_1x02_P2.54mm_Vertical

2.5 添加标注¶

添加文本标注¶

点击右侧工具栏的"添加文本"按钮（或按 T 键）

在原理图上添加以下标注：

标题：LED控制板

版本：V1.0

日期：2024-01-15

作者：你的名字

添加网络标签¶

按 L 键添加标签

在按键输出处添加标签 CTRL

在VCC和GND处添加相应标签

作用：网络标签可以让相同名称的网络自动连接，避免画太多连线。

2.6 电气规则检查（ERC）¶

点击菜单"检查" → "电气规则检查"

点击"运行ERC"按钮

查看检查结果

常见警告：

- "引脚未连接"：检查是否有引脚漏连

- "电源引脚未连接"：确保VCC和GND已连接

- "输出引脚冲突"：检查是否有多个输出连接到一起

解决方法：

- 根据提示修改原理图

- 对于不影响功能的警告，可以添加"无连接标志"（按 Q 键）

2.7 保存原理图¶

按 Ctrl+S 保存原理图

确认所有元件都已正确连接

确认ERC检查无严重错误

步骤3：PCB布局设计¶

3.1 生成网表并导入PCB¶

在原理图编辑器中，点击"工具" → "更新PCB"

点击"更新PCB"按钮

PCB编辑器（Pcbnew）将自动打开

所有元件会出现在画布左上角

预期结果：

- 所有元件以白色轮廓显示

- 元件之间有白色飞线（Ratsnest）连接

- 飞线表示需要布线的网络连接

3.2 设置PCB参数¶

设置板子尺寸¶

选择"边界层"（Edge.Cuts）

点击右侧工具栏的"绘制矩形"

绘制一个 50mm x 50mm 的矩形作为板边界

操作技巧：

- 按 Ctrl+Shift+G 打开栅格设置

- 设置栅格为 1mm 便于精确绘制

- 使用尺寸标注工具确认尺寸

设置设计规则¶

点击"文件" → "板设置"

在"设计规则"选项卡中设置：

最小走线宽度：0.2mm

最小走线间距：0.2mm

最小过孔直径：0.6mm

最小过孔钻孔：0.3mm

说明：这些参数适用于大多数PCB厂商的标准工艺。

3.3 元件布局¶

布局原则¶

功能分区：将相关元件放在一起

信号流向：按照信号流向排列元件

散热考虑：发热元件远离温度敏感元件

美观整齐：元件排列整齐，方向一致

布局步骤¶

放置连接器：

将电源连接器放在板子边缘

便于外部连接

放置LED：

将3个LED横向排列在板子中央

间距约10mm

方向一致（正极朝上）

放置电阻：

每个电阻放在对应LED的上方

尽量靠近LED，缩短走线

放置按键：

放在板子的另一侧

便于操作

操作技巧：

- 按 M 键移动元件

- 按 R 键旋转元件（每次90度）

- 按 F 键翻转元件到背面

- 按 E 键编辑元件属性

3.4 调整元件位置¶

观察飞线（白色连接线）

调整元件位置，使飞线尽量短且不交叉

确保所有元件都在板边界内

留出足够的边距（至少2mm）

检查清单：

- [ ] 元件排列整齐

- [ ] 飞线没有过多交叉

- [ ] 元件标号清晰可见

- [ ] 预留足够的布线空间

步骤4：PCB布线¶

4.1 布线基础知识¶

走线层次¶

F.Cu（顶层铜箔）：正面走线层

B.Cu（底层铜箔）：背面走线层

过孔（Via）：连接不同层的通孔

对于简单的双层板，通常：

- 顶层走信号线

- 底层走电源和地线

走线规则¶

走线宽度：

信号线：0.3-0.5mm

电源线：0.8-1.0mm

地线：尽可能宽

走线间距：

最小间距：0.2mm

推荐间距：0.3mm以上

走线角度：

避免90度直角

使用45度或圆弧转角

4.2 手动布线¶

开始布线¶

点击右侧工具栏的"布线"按钮（或按 X 键）

选择起始焊盘

沿着飞线方向布线

点击目标焊盘完成连接

操作技巧：

- 布线时按 V 键切换层（添加过孔）

- 按 W 键切换走线宽度

- 按 Backspace 键撤销上一段

- 按 Esc 键取消当前布线

布线顺序¶

先布电源线：

VCC从连接器到各个电阻

走线宽度设为0.8mm

再布地线：

GND从连接器到各个LED负极

走线宽度设为1.0mm

可以使用铺铜代替走线

最后布信号线：

按键控制信号

走线宽度0.3mm

4.3 铺铜（覆铜）¶

添加铺铜区域¶

选择顶层（F.Cu）

点击"添加填充区域"按钮（或按 Ctrl+Shift+Z）

选择网络为 GND

沿着板边界绘制铺铜区域

重复操作在底层（B.Cu）也添加GND铺铜

铺铜作用：

- 降低地线阻抗

- 改善EMC性能

- 增强散热能力

- 减少板子翘曲

铺铜设置¶

右键点击铺铜区域，选择"属性"

设置参数：

间隙：0.3mm

最小宽度：0.2mm

连接方式：热焊盘

优先级：0

点击"确定"

按 B 键重新计算铺铜

4.4 设计规则检查（DRC）¶

点击"检查" → "设计规则检查"

点击"运行DRC"按钮

查看检查结果

常见错误：

- "走线间距不足"：调整走线位置

- "焊盘间距不足"：调整元件位置

- "走线宽度不足"：增加走线宽度

- "未连接的网络"：检查是否有漏布的线

解决方法：

- 双击错误项可以定位到问题位置

- 根据提示修改设计

- 重新运行DRC直到无错误

步骤5：添加丝印和标注¶

5.1 调整元件标号¶

选择丝印层（F.Silkscreen）

调整元件标号（R1、R2、LED1等）的位置

确保标号清晰可见，不被焊盘遮挡

技巧：

- 按 E 键编辑文本属性

- 可以调整字体大小（推荐0.8-1.0mm）

- 可以移动到元件旁边的空白处

5.2 添加板子信息¶

选择丝印层（F.Silkscreen）

按 T 键添加文本

添加以下信息：

板子名称：LED Control Board

版本号：V1.0

日期：2024-01-15

作者或公司名称

位置建议：

- 放在板子边缘或空白区域

- 字体大小：1.0-1.5mm

- 确保不影响元件焊接

5.3 添加极性标记¶

对于有极性的元件（LED、电解电容等），添加极性标记：

在LED附近添加 + 和 - 标记

或者使用箭头指示方向

确保标记清晰明确

5.4 添加定位孔（可选）¶

如果需要固定PCB，可以添加定位孔：

选择边界层（Edge.Cuts）

在四个角落添加直径3mm的圆孔

距离板边至少3mm

步骤6：生成制造文件¶

6.1 生成Gerber文件¶

Gerber文件是PCB制造的标准格式，包含了所有制造信息。

生成步骤¶

点击"文件" → "绘图"

在绘图对话框中设置：

输出目录：选择一个文件夹

绘图格式：Gerber

包含层：

F.Cu（顶层铜箔）

B.Cu（底层铜箔）

F.Paste（顶层焊膏）

B.Paste（底层焊膏）

F.Silkscreen（顶层丝印）

B.Silkscreen（底层丝印）

F.Mask（顶层阻焊）

B.Mask（底层阻焊）

Edge.Cuts（板边界）

点击"生成钻孔文件"

选择格式：Excellon

点击"生成钻孔文件"

预期结果：

- 生成多个 .gbr 文件（每层一个）

- 生成钻孔文件 .drl

- 所有文件在指定的输出目录中

6.2 检查Gerber文件¶

使用Gerber查看器检查文件：

在KiCad中，点击"文件" → "Gerber查看器"

加载所有生成的Gerber文件

逐层检查：

铜箔层是否正确

丝印是否清晰

阻焊层是否正确

钻孔位置是否准确

在线查看器：

- Gerber Viewer (https://www.gerber-viewer.com/)

- EasyEDA Gerber Viewer

- PCBWay Online Gerber Viewer

6.3 打包文件¶

将所有Gerber文件打包成ZIP文件：

选择所有 .gbr 和 .drl 文件

右键选择"压缩"或"添加到压缩文件"

命名为 led_control_board_gerber.zip

文件清单：

led_control_board-F_Cu.gbr (顶层铜箔)

led_control_board-B_Cu.gbr (底层铜箔)

led_control_board-F_Paste.gbr (顶层焊膏)

led_control_board-B_Paste.gbr (底层焊膏)

led_control_board-F_Silkscreen.gbr (顶层丝印)

led_control_board-B_Silkscreen.gbr (底层丝印)

led_control_board-F_Mask.gbr (顶层阻焊)

led_control_board-B_Mask.gbr (底层阻焊)

led_control_board-Edge_Cuts.gbr (板边界)

led_control_board.drl (钻孔文件)

步骤7：PCB打样流程¶

7.1 选择PCB厂商¶

国内常用的PCB打样厂商：

厂商

特点

价格

交期

嘉立创

价格便宜，质量稳定

¥5起

24小时加急

捷配

服务好，响应快

¥10起

24小时加急

华秋

技术支持好

¥8起

24小时加急

PCBWay

国际化，支持多语言

$5起

3-5天

选择建议：

- 初学者：选择嘉立创或捷配，价格便宜

- 商业项目：选择华秋或PCBWay，质量更稳定

- 国际项目：选择PCBWay，支持多国配送

7.2 上传Gerber文件¶

以嘉立创为例：

访问 https://www.jlc.com/

注册并登录账号

点击"立即下单" → "PCB打样"

上传Gerber文件（ZIP格式）

系统自动识别板子参数

7.3 配置打样参数¶

基本参数¶

板子尺寸：50mm x 50mm（自动识别）

板子层数：2层

板子厚度：1.6mm（标准）

铜箔厚度：1oz（35μm）

工艺参数¶

阻焊颜色：绿色（标准）、红色、蓝色、黑色等

丝印颜色：白色（标准）

表面处理：

喷锡（便宜，适合手工焊接）

沉金（贵，适合精密焊接）

OSP（中等，适合机器焊接）

数量和交期¶

数量：5片起（通常选5-10片）

交期：

24小时加急：+¥20

48小时：标准价格

5-7天：经济选择

推荐配置（初学者）：

- 2层板，1.6mm厚度

- 绿色阻焊，白色丝印

- 喷锡表面处理

- 5片，48小时交期

- 总价约：¥10-20

7.4 下单支付¶

确认参数无误

添加到购物车

填写收货地址

选择支付方式（支付宝/微信/银行卡）

完成支付

7.5 生产跟踪¶

登录账号查看订单状态

生产流程：

审核中（1-2小时）

生产中（24-48小时）

已发货（1-3天到货）

如有问题，客服会联系确认

注意事项：

- 保持手机畅通，以便客服联系

- 审核不通过时，及时修改文件重新上传

- 收到板子后，先检查外观再焊接

步骤8：焊接与测试¶

8.1 准备焊接工具¶

工具

说明

电烙铁

温度可调，推荐350-380°C

焊锡丝

0.8mm直径，含松香

镊子

用于夹持元件

吸锡器

用于修正错误

万用表

用于测试电路

8.2 焊接步骤¶

焊接顺序：

先焊接低矮元件（电阻）

再焊接高元件（LED、按键）

最后焊接连接器

焊接技巧：

先在焊盘上涂少量焊锡

放置元件，用镊子固定

用烙铁加热焊盘和引脚

送入焊锡，形成光滑的焊点

移开烙铁，等待冷却

检查焊点：

焊点应该光滑、圆润

没有虚焊、冷焊

没有短路、桥接

8.3 功能测试¶

外观检查：

检查所有元件是否焊接正确

检查极性是否正确（LED）

检查有无短路

通电测试：

用万用表测量VCC和GND之间的电阻

应该大于几百欧姆（不应该短路）

连接5V电源

观察LED是否点亮

功能测试：

按下按键，观察LED状态

测量各点电压是否正常

测量LED电流是否在15mA左右

故障排除：

- LED不亮：检查极性、检查焊接、检查电阻值

- LED太亮或太暗：检查电阻值是否正确

- 按键无效：检查按键焊接、检查电路连接

原理图绘制规范¶

符号使用规范¶

元件符号：

使用标准符号库中的符号

自定义符号应符合行业标准

符号方向应统一（输入在左，输出在右）

连接方式：

使用导线连接，不要使用总线（除非必要）

交叉的导线如果不连接，不要有连接点

连接点用圆点明确标识

网络命名：

重要信号使用有意义的名称

电源网络使用标准名称（VCC、GND、+5V等）

避免使用自动生成的网络名

布局规范¶

信号流向：

从左到右：输入 → 处理 → 输出

从上到下：电源 → 信号 → 地

分页原则：

复杂电路应分页绘制

每页一个功能模块

使用层次化设计

标注要求：

每个元件必须有唯一标号

元件值必须标注清楚

重要参数应添加注释

PCB布局规范¶

布局原则¶

功能分区：

电源模块

信号处理模块

接口模块

各模块之间留有间隔

元件方向：