PCB 总纲：从电路到可用板

这篇是 PCB 的通用设计主线：从需求、电源和原理图开始，经过元件选择、布局布线、制造检查，最后完成上电验证。Buck、Boost、反馈、滤波、接口和具体项目只在本页保留必要的判断入口，详细推导和实测记录放在各自专题中。

阅读路径

  1. 先确定功能边界、电源树、接口和测试点。
  2. 再按模块组织原理图，核对每个器件的封装和关键参数。
  3. 依次完成板框、布局、关键回路、普通信号和铺铜。
  4. 最后做 ERC/DRC、人工检查、限流上电和接口联调。

1. 先把功能和约束写清楚

画 PCB 之前先回答：

  • 输入是什么电源，电压范围、电流上限和接口形式是什么？
  • 输出是电机、舵机、传感器、通信接口还是另一组电源？
  • MCU 与外设使用 GPIO、PWM、UART、I2C、SPI 还是 ADC？
  • 哪些网络是大电流、开关节点、时钟或其他敏感信号？
  • 板框、安装孔、接插件方向和手焊空间是否已经确定？

这些约束决定原理图分区、器件封装和布线优先级。PCB 不是把网络“连通”就结束，而是把电路功能稳定地落到实体板上。

2. 电源树和接口先行

建议先画出一张电源/接口树：

输入电源 → 保护/总开关 → DCDC 或 LDO → 5 V / 3.3 V / 电机 VM
                                      └→ MCU、传感器、通信和驱动负载

原理图至少应包含：

  • 电源输入、防反接、保险丝或限流、总开关和输入测试点。
  • DCDC、LDO、反馈分压、去耦和储能电容。
  • MCU 最小系统：供电、复位、BOOT、下载口和晶振/时钟。
  • USB、UART、I2C、SPI、ADC 等通信或采样接口。
  • TB6612、电机、LED、蜂鸣器、MOS 负载开关等驱动输出。
  • 5 V、3.3 V、GND、PWM、SCL、SDA、TX、RX、EN 等测试点。

电源拓扑的快速判断

  • LDO 结构简单、噪声较低，但功耗约为 (Vin - Vout) × Iout，压差和负载越大越容易发热。
  • Buck 用于降压，理想情况下 Vout = D × Vin；Boost 用于升压，理想情况下 Vout = Vin / (1 - D)。
  • PWM 占空比 D = Ton / T，公式只用于建立直觉，实际参数必须以控制器数据手册和工作模式为准。
  • CCM 表示电感电流不降到 0，DCM 表示每个周期会降到 0；轻载时不能假定系统始终工作在 CCM。

高频开关回路要短、粗、紧凑；输入电容贴近 VIN，输出电容贴近电感/负载，FB 走线远离 SW 节点和电感。需要完整波形和伏秒平衡推导时，进入 Buck 降压深入、Boost 升压深入和电源设计：反馈、滤波与稳压。

3. 原理图按功能模块组织

推荐把原理图拆成输入保护、电源转换、MCU 最小系统、通信接口、驱动输出和调试接口六块。每块都要能单独回答“输入是什么、输出是什么、默认状态是什么、如何测量”。

元件选择的最小检查集

  • 电阻：用于限流、分压、上拉/下拉和采样。I2C 上拉常见 4.7 kΩ/10 kΩ，但速度和线长变化时要重新估算；ADC 分压不能只追求高阻，既要保证采样稳定，也要控制静态功耗；MOS 栅极串几十欧可减缓尖峰。
  • 电容：0.1 μF 去耦电容贴近芯片 VCC/GND；电源入口、DCDC 输出和电机 VM 旁边配置储能电容；输入/输出电容的容值、耐压和 ESR 按控制器手册确认。
  • 电感：用于 DCDC 储能和 LC 滤波。饱和电流要高于实际峰值，DCDC 的电感、电容和开关管应组成尽可能小的高频回路，附近不要放敏感信号。
  • 二极管与 TVS：防反接、续流和接口浪涌保护要区分用途；肖特基适合低压降场景，TVS 尽量靠近接口；方向和丝印必须人工复核。
  • 三极管与 MOS：NPN 常用于低边开关，PMOS 常用于高边控制。MOS 不能只看 Vgs(th)，还要看目标栅压下的 Rds(on)、峰值电流、封装散热和栅极默认状态。
  • LDO：确认输入/输出电容、压差、最大电流和热耗散；功耗大时不能把它当成“无损降压”。
  • LED 与封装：电源、运行和关键模式指示灯都应配置限流电阻；封装、引脚 1 方向、散热焊盘和手焊空间必须与数据手册一致。

电容、电感的滤波、去耦、ESR/ESL、反馈和补偿统一放在电源设计：反馈、滤波与稳压，接口、电机和 TB6612 的落地规则就在本页第 4 节说明。

4. 接口与驱动落地

USB 与连接器

USB 的 VBUS 是电源，D+/D− 是差分数据线，GND 是地，Shield 是屏蔽外壳。只供电时可以不接 D+/D−；需要通信时，D+/D− 要成对、短、阻抗连续，接口入口要考虑 ESD。常见排针孔距为 2.54 mm，电源与信号应分组，丝印必须让装配者一眼看出方向，连接器额定电流和机械尺寸要与 BOM 一起确认。

TB6612 与电机驱动

VM：电机电源       VCC：逻辑电源       GND：与 MCU 共地
PWMA/PWMB：速度控制  AIN1/AIN2：A 路方向  BIN1/BIN2：B 路方向
STBY：待机使能，必须拉高才工作
AO1/AO2：A 电机输出  BO1/BO2：B 电机输出

控制排针可按 PWMA、AIN1、AIN2、STBY、BIN1、BIN2、PWMB、GND 分组；电源/电机排针可按 VM、VCC、GND、GND、AO1、AO2、BO1、BO2 分组。VM 与 AO/BO 走线要足够宽，VM 旁放“大电容 + 100 nF”，逻辑 VCC 旁放 100 nF，PGND 回路尽量短，底层优先保持连续 GND；电机输出不能误接 GND。

输入保护与 BOM

电源入口按风险选择总开关、保险丝或自恢复保险丝、反接保护 MOS、TVS 和输入电容。BOM 不应最后才核对：器件要容易采购、有替代型号和资料，封装要适合手焊和预期工艺，电阻电容尽量统一规格，连接器方向、额定电流和机械尺寸必须明确。选型优先级是“能用、稳定、好买、好焊、资料多”，不要为了看起来高级而使用冷门器件。

5. 布局与布线的固定顺序

  1. 先确定板框、安装孔和接口位置。
  2. 摆放电源入口、保护器件、DCDC/LDO 和大电流负载。
  3. 摆放 MCU、去耦电容、传感器和通信接口。
  4. 先布输入热回路、DCDC 高频回路、电机/舵机供电和其他大电流线。
  5. 再布 MCU 时钟/复位/下载线、USB、I2C、SPI、UART 等关键网络。
  6. 最后布普通 GPIO、丝印，铺连续的 GND，并删除孤岛铜。

布线优先级是：大电流电源线 → DCDC 高频回路 → 时钟/复位/下载 → 通信线 → 普通 GPIO → 丝印和美观。信号线可以细，但电源、电机、舵机和 DCDC 输出要按电流、压降和温升留足宽度。关键回流路径不能被分割，信号线下面尽量保持连续参考地。

6. 制造与可装配性检查

  • 两层板通常由顶层走线、底层走线和连续铺地组成；铺铜不是无条件填满，孤岛铜应删除。
  • 泪滴用于增强焊盘/过孔与走线连接处的机械强度，适合在检查完成后统一添加。
  • 带 EP 的芯片要确认原理图接地、PCB 开窗和散热过孔；过孔数量和焊接方式要按封装建议处理。
  • V 割适合规则矩形板，邮票孔适合异形小板；拼板要检查板间距、工艺边和元件到板边的距离。
  • 接插件方向、排针顺序、丝印极性、安装孔和手焊空间必须进行一次脱离网络连通性的人工检查。

7. 交付前验证闭环

原理图与 PCB

  • 电源树是否完整，GND 是否统一，复位/BOOT/下载口是否可用？
  • EN、STBY、CS、RESET 等控制脚是否有明确默认状态？
  • 大电流线是否足够宽，DCDC 回路是否紧凑，去耦是否贴近芯片？
  • GND 回流、过孔、板框、接口位置和丝印是否合理？
  • ERC/DRC 是否完成，并且每一条警告都写清“报错内容—根本原因—解决方法”？

上电与联调

  1. 万用表测 VCC-GND 是否短路，检查输入极性。
  2. 使用限流电源上电，先测 5 V/3.3 V，再连接 MCU 和外设。
  3. 观察芯片、稳压器和驱动器是否异常发热。
  4. 依次验证 UART、I2C、PWM、ADC 和电机/负载输出。
  5. 将示波器波形、故障原因、修复动作和复现条件写入PCB 项目实战：F407 设计与 DRC。

第一块板的目标不是一次做到完美，而是完整走通“原理图 → PCB → DRC → 下单 → 焊接 → 上电 → 排错”。每完成一块板，就把检查表和实测结论固化下来，下一块板再复用。

8. 专题边界

以下页面各自对应完整方法、拓扑或项目结论，不在本页重复展开：