最小系统板需要哪些部分？新手一看就懂：树莓派 Pico 硬件电路全解析

初学的同学可以将 RP2040 芯片理解为 “没装屏幕、电池、按键的手机主板”—— 它有核心功能，但缺了这些配件就没法用。这些硬件电路就是给芯片补上 “电源、节拍器、状态灯、接口” 等必备功能，让 Pico 从 “裸芯片” 变成 “能直接用的开发板”。

Raspberry Pi Pico 板载了 RP2040 芯片的一些外围电路，包括：外置 Flash 闪存芯片（W25Q16JV）、时钟晶振、电源滤波电容等无源器件、USB 连接器、复位按键、LED 灯等。RP2040 芯片的大部分可用引脚在 Pico 开发板的两侧引出，四个引脚用于内部功能，包括驱动板载 LED 灯、开发板供电、BOOT 模式选择等。

Raspberry Pi Pico 的原理图如下，包括外置时钟晶振电路、BOOT 模式选择电路、供电输入电路、供电电源电压测量电路、LED 指示灯驱动电路、调试接口电路、引脚扩展电路和芯片外围电路，接下来一一给大家介绍。

图 1.4 Raspberry Pi Pico 开发板电路原理图

简单来说，一个 Pico 开发板的外围电路包括以下部分：

• 时钟晶振​​电路：​由 12MHz 晶振（图里的 X1）+ 电容等小元件组成的电路。它是芯片的 “节拍器”—— 芯片运算、和外设通信都需要精准的 “时间节奏”，这个电路提供稳定的 1200 万次 / 秒的 “节拍信号”，保证芯片干活的时间精准（比如定时 1 毫秒闪灯，全靠这个节拍算时间）。
• ​BOOT 模式选择电路：​其实就是带 BOOTSEL 按键的小电路，它是芯片的 “启动模式切换开关”，芯片启动时有两种模式：
  • ​正常模式：​启动已经存好的程序；
  • ​BOOT 模式：​固件烧录状态是 Pico 的 “装程序模式”：按 BOOTSEL 键连电脑后，Pico 会切换到这个状态（不启动旧程序），此时它会被电脑识别成存储设备，把写好的程序（固件）拖进去，就能给 Pico 装上新功能。
• ​供电输入电路：​负责电源管理的电路（比如图里的电源芯片 U2），我们可以接 USB（5V）或电池（2-5V），这个电路会把输入的电压稳定转换成芯片需要的 3.3V，还能过滤电压里的杂波，防止电压忽高忽低烧坏芯片。
• ​供电电源电压测量电路：​检测电源电压的小电路，它是板子的 “内置电压表”，能实时测当前输入的电源电压（比如用电池供电时，能知道电池是不是快没电了），方便你监控电源状态。
• LED​ ​​​指示灯驱动电路​​：​控制板载 LED 的小电路，芯片可以通过 GPIO25 引脚控制这个 LED 亮 / 灭，用来显示状态（比如程序在运行时闪灯、电源接通时常亮）。
• ​调试接口电路：​就是图里的 DEBUG 接口（3 针排针），它是板子的 “故障诊断口”，如果你的程序写坏了、板子不工作，用调试工具连这个接口，就能查看芯片内部的运行状态，找出程序哪里出错了。
• ​引脚​扩展电路： 把芯片引脚做成排针的电路（图里的 CON_PICO_40W），RP2040 芯片本身的引脚很小，没法直接插线；这个电路把芯片引脚扩展成排针，你可以用杜邦线直接插这些排针，连接传感器、电机等外部元件。
• ​芯片外围电路：​围绕芯片的滤波电容、电阻等小元件组成的电路，比如滤波电容能过滤电源里的杂波，让芯片供电更平稳；电阻能保护引脚不被过大电流烧坏，防止芯片因为外界干扰或电流波动出故障。

1.电源电路

图 1.5 电源电路原理图

树莓派 Pico 可以由外部电源或 Micro-USB 线进行供电，这里有两条电源线值得我们关注：

• VBUS 线：这是来自 microUSB 总线的电源，电压为 5V。如果树莓派 Pico 不是由 microUSB 连接器供电，那么这里将没有电源输入。
• VSYS 线：这是 DC-DC 电源芯片的供电输入线，电压输入范围为 1.8~5.5V。板载的 RT6150B 可将输入电源转换为 +3.3V 电压输出到 MCU 芯片。

整个电源电压转换由 RT6150B DC-DC 电源芯片完成，RT6150A/B 是一种高效的、固定频率的开关电源转换器，它从高于、低于或等于输出电压的输入电压开始工作。该芯片具有​静态功耗小（开关频率工作频率设定于 1MHz、静态电流​​ 节能模式下电流仅有 60μA）​、​体积小​、工作模式可选（省电模式PSM​​启用控制）​等优点，常用于便携式产品和手持式仪器仪表的供电模块。

RT6150 电源芯片介绍

（1）芯片参数和电路参考设计

图 1.6 RT6150 电源芯片参数与电路参考设计

（2）PCB 布线参考图

图 1.7 RT6150 电源芯片 PCB 布线参考图

这里，树莓派 Pico 的 GPIO23 引脚与电源芯片的 PS 端相连接，可以通过控制 GPIO23 的高低电平输出来控制电源芯片工作于不同模式：

• PS=0： PFM 脉冲频率调制模式，默认值，可以提供芯片工作的最佳效率，是 “高效省电模式”，电源芯片干活时效率最高，日常用这个就够；
• PS=1： PWM 脉冲宽度调制模式，是 “稳波重载模式”，电源输出更平稳，还能带动更重的设备，用 ADC（模拟采集）时开这个能让数据更准。

树莓派 Pico 上的 RP2040 芯片需要 3.3V（用于 I/O）和 1.1V（用于芯片的数字核心电压）两种电压供应。由于 RP2040 内部有一个 3.3V 转 1.1V 的 LDO，所以不需要担心 1.1V 的电源问题。

2.时钟晶振电路

图 1.8 时钟晶振电路

芯片工作离不开精准的‘时间节奏’—— 比如定时 1 秒闪灯、和传感器同步传数据，都得靠稳定的‘时钟信号’。这个电路就是 Pico 的‘外部精准节拍器’，专门给 RP2040 提供稳定的时间基准，下面是它的核心组件和作用：

这里，晶振选用 SMD3225-4P 封装 12MHz 的晶振。晶振两旁的 15pF 电容作用是保证振荡频率更加稳定，在 XOUT 中串联 1kΩ 的电阻用于限流，可以防止晶振过驱导致寿命减少或损坏，选用其他不同的晶振，可能需要调整这些值。

在不需要严格时序要求时，RP2040 的时钟可以选择从内部振荡器输入。

3.BOOT 模式选择电路

图 1.9 BOOT 模式选择电路

这个电路包含 Pico 的两个关键功能模块：一是控制‘启动状态’的 BOOT 模式选择电路，二是存程序的 Flash 闪存电路 —— 前者帮你切换‘运行已存程序’和‘装新程序’的状态，后者是 Pico 存程序的‘内置小硬盘’，下面具体讲它们的作用：

• 板载的 2MB QSPI 闪存可以使用串行线调试端口或通过特殊的 USB 大容量存储设备模式（重新）编程。
• 上方为 BOOT 模式选择电路，启动模式切换按键与 RP2040 的 QSPI_SS 引脚串联一个 1kΩ 相连接，串联电阻可以使得在 BootLoader 模式时，按下复位时运行 Flash 的内容。

当 RP2040 上电时，QSPI_SS 引脚将自动默认为上拉，RP2040 在启动过程中会检查这个 I/O 的值，当 QSPI_SS 为逻辑 0，则 RP2040 进入引导加载驱动 BootLoader 模式。

• 未按 BOOTSEL 按键时，复位或上电：进入 normal 普通模式，MCU 从 Flash 里启动已存的程序。
• 按下 BOOTSEL 按键时，复位或上电：MCU 进入 “装新程序” 的 BootLoader 模式，此时 Pico 会变成电脑里的 “U 盘”，拖入 uf2 格式的程序文件就能更新固件。

开机时有短暂一段时间不能保证 QSPI_SS 引脚的状态，增加一个上拉电阻就可得到保证。W25Q128 这款 Flash 闪存外部上拉电阻是不必要的，所以标记为 NO-FIT，焊接时可忽略不焊。

下方为 Flash 闪存电路，其电源供电和与芯片的 3.3V 电源引脚处于同一电压，W25Q128 的引脚与 RP2040 的 QSPIx 引脚相连接。在 Flash 闪存 W25Q128 的电源引脚(VCC)附近放置 2.2uF 和 100nF 的滤波电容，以便提供稳定的 3.3V 供 W25Q128JVSIQ 所使用。

使用 USB 模式烧录固件步骤如下：

1. 首先关闭电路板电源
2. 在电路板通电期间按住启动按钮（即按住 BOOTSEL 按键后连接 USB）
3. Pico 将显示为一个 USB 大容量存储设备，将一个特殊的‘.uf2’文件拖到磁盘上即可完成写入 Flash
4. 拔下 Pico 的 USB 连接器再重新连接

4.供电电源测量电路

图 1.10 供电电源测量电路

这个电路是 Pico 的‘电源电压监测模块’，借助芯片的 ADC（模拟信号采集）功能，它能实时测 Pico 的供电电压（比如看电池还剩多少电）。先搞懂 RP2040 的 ADC 基础，再看这个电路的作用：

RP2040 的 ADC 是 “测渐变信号的工具”（比如测电压高低），它有 5 个采集通道：

• 4 个通道对应 GPIO26~29 这 4 个引脚；
• 1 个是芯片内部的 “温度传感器”（不用外接元件就能测芯片温度）；
• 还有个 ADC_VREF 引脚，是 ADC 测电压的 “基准标准”（默认用 3.3V，决定了 ADC 能测的电压范围）。

这些 ADC 引脚内部有反向二极管保护，且是 12 位分辨率（相当于把 0~3.3V 分成 4096 个小档位，测电压更精准）。

所谓供电电源测量电路，就是用 GPIO29（对应 ADC3 通道）测 Pico 的供电电压（VSYS）：

• ​C3 电容​：给电压信号 “滤波”，让要测的电压更平稳，避免杂波影响测量结果；
• ​R5+R6 电阻​：把 VSYS 电压（最高 5.5V）分成 1/3（因为 ADC 最多只能测 3.3V，分压后才符合测量范围）；
• ​Q1 元件​：防止 Pico 断电后，电压从 ADC 引脚漏进电源电路，起保护作用；

最终 GPIO29 会采集 “分压后的 VSYS 电压”，换算后就能知道当前供电电压是多少（比如用电池供电时，能监测电池电量）。

5.芯片外围电路

图 1.11 芯片外围电路
RP2040 芯片是 Pico 的‘核心大脑’，但它单独工作需要‘配套保障’—— 下面的外围电路就是给芯片补全‘通信、供电、抗干扰’等必备能力的‘辅助模块’，让芯片能稳定干活、实现 USB 连接、ADC 采集这些功能，具体分这几个部分：

• ​USB 通信部分​：USB 接口的两个信号引脚（USB_DP/USB_DM）要串 27Ω 电阻再连 USB 接口 —— 这些电阻是 “保护 + 优化器”：既防止短路时电流太大烧坏部件，也能让信号传输更顺畅、减少干扰，让 USB 既能用来装程序，也能连外部 USB 设备。
• ​芯片供电 - 内部 LDO 电源输入​：芯片内部有个 “电压转换器”（把 3.3V 转成 1.1V 给核心部分供电），它的输入 / 输出引脚旁的 2.2uF 电容是 “稳压器”，过滤电压波动，保证 1.1V 电源稳定，防止芯片因为电压不稳出故障。
• ​GPIO 外设供电输入​：GPIO 引脚旁的 100nF 小电容是 “抗干扰滤镜”，过滤电源里的杂波，让 GPIO 引脚给外部元件供电 / 传信号时更稳定。
• ​TESTEN​：这是工厂测试用的引脚，直接连了地线，用户不用管它。
• ​ADC 参考电源​：ADC 测电压默认用 Pico 自身的 3.3V 当 “标尺”；如果要更高的采集精度，可以外接专门的电压基准芯片（比如 LM4040），但这时 ADC 只能测 0~3.0V 的电压了。
• ​ADC 电源 - ADC_AVDD 引脚​：给 ADC 模块供 3.3V 电，用的是前面电源芯片输出的稳定 3.3V。

6.LED 驱动电路

图 1.12 LED 驱动电路

用于给 RP2040 的 GPIO25 引脚测试，可以通过程序实现亮灭。

7.调试接口电路

图 1.13 调试接口电路

这个电路是 Pico 的‘程序故障诊断口’—— 当你写的程序运行出错（比如板子没反应、功能不对），它能帮你查问题、直接加载代码，比普通 USB 烧录更灵活，下面讲它的具体作用：

Pico 有两种给 Flash 重新编程的方式：

• ​普通方式：​用 USB 拖放 uf2 文件（简单但功能少）；
• ​这个 SWD 调试端口（DEBUG 接口）：​不用按任何按钮，就能重置系统、加载 / 运行代码，还能 “交互式调试”（边运行程序，边看芯片内部的运行状态，精准找出程序哪里出错）。

另外：

• RP2040 芯片的 SWDIO、SWCLK 这两个调试引脚，内部自带 60kΩ 的上拉电阻，不用额外接电阻；
• 不过平时更常用的是 “USB 串口调试”，它是最简洁的程序下载 / 调试方式，大部分新手用 USB 方式就够。

8.引脚拓展电路

图 1.14 引脚拓展电路

这里的引脚是通过 2 组 “1×20Pin” 的邮票孔（每组有 20 个引脚孔）引出的，孔与孔之间的间距是 2.54mm（这是电子元件的常用标准间距，普通杜邦线、扩展板都能匹配）。

这种设计的好处是 “两用”：既可以直接插杜邦线连接传感器、LED 等元件做实验，也能把 Pico 焊到自己设计的电路板上，方便把 Pico 嵌入到自己的成品项目里（比如小机器人、环境监测装置）。

9.测试点介绍

在树莓派 Pico 上有 6 个测试点（TP1~TP6）可被访问：

图 1.15 树莓派 Pico 测试点（TP1~TP6）功能说明图

这些‘测试点（TP1~TP6）’是 Pico 板上预留的‘备用小接口’—— 平时用 Micro-USB、引脚这些主接口就够，但如果需要批量测试开发板好坏、主接口损坏、或需要特殊操作时，这些测试点能临时替代部分功能，下面是每个测试点的作用：

• ​TP1、TP2、TP3​：是 “备用 USB 接口”—— 如果板上的 Micro-USB 接口坏了，可以用这三个测试点连接 USB 信号，代替原 USB 接口的功能；
• ​TP4​：不适合外部使用，不用管它；
• ​TP5​：对应 GPIO25（板载 LED 的引脚），但不推荐用 —— 因为它的电压只能在 0V 和 LED 导通电压之间变化，范围太窄，用它做输出容易出问题；
• ​TP6​：是 “备用 BOOT 模式触发点”—— 如果 BOOTSEL 按键坏了，上电时把 TP6 和地线短接，就能让 Pico 进入 “拖放程序” 的烧录模式。