第05章-PCB布局设计基础
第五章：PCB布局设计基础
5.1 PCB设计概述
5.1.1 什么是PCB
印刷电路板（Printed Circuit Board，PCB）是用于支撑和电气连接电子元器件的物理载体。PCB由绝缘基材和导电铜箔层组成，通过蚀刻工艺形成导电图案（走线），实现元器件之间的电气连接。
PCB的基本结构：
┌─────────────────────────────────────┐
│ 丝印层 (Silkscreen) │ ← 元器件标识
├─────────────────────────────────────┤
│ 阻焊层 (Solder Mask) │ ← 绿油保护
├─────────────────────────────────────┤
│ 顶层铜箔 (Top Copper) │ ← 信号/电源走线
├─────────────────────────────────────┤
│ 基材 (Substrate/FR4) │ ← 绝缘层
├─────────────────────────────────────┤
│ 底层铜箔 (Bottom Copper) │ ← 信号/电源走线
├─────────────────────────────────────┤
│ 阻焊层 (Solder Mask) │
├─────────────────────────────────────┤
│ 丝印层 (Silkscreen) │
└─────────────────────────────────────┘
5.1.2 PCB层次类型
按层数分类：
- 单面板：仅一面有铜箔，简单电路
- 双面板：两面都有铜箔，通过过孔连接
- 多层板：4层、6层、8层或更多，复杂设计
KiCad支持的层：
铜箔层（Copper Layers）：
F.Cu : 顶层（正面）铜箔
B.Cu : 底层（背面）铜箔
In1.Cu~In30.Cu : 内层铜箔（多层板）
技术层（Technical Layers）：
F.Silkscreen : 顶层丝印
B.Silkscreen : 底层丝印
F.Mask : 顶层阻焊
B.Mask : 底层阻焊
F.Paste : 顶层钢网
B.Paste : 底层钢网
F.Adhesive : 顶层胶水
B.Adhesive : 底层胶水
F.CrtYd : 顶层装配区
B.CrtYd : 底层装配区
F.Fab : 顶层制造
B.Fab : 底层制造
用户层（User Layers）：
Edge.Cuts : 板框/切割层
Margin : 边距
Cmts.User : 用户注释
Dwgs.User : 用户绘图
Eco1.User : 生态层1
Eco2.User : 生态层2
5.1.3 PCB设计流程
1. 准备阶段
├── 从原理图更新PCB
├── 设置板子参数
└── 配置设计规则
↓
2. 布局阶段
├── 绘制板框
├── 布局元器件
└── 优化摆放位置
↓
3. 布线阶段
├── 规划走线路径
├── 布置关键信号
├── 完成一般走线
└── 添加过孔
↓
4. 覆铜阶段
├── 添加接地覆铜
├── 添加电源覆铜
└── 填充覆铜区域
↓
5. 检查阶段
├── 运行DRC检查
├── 修复违规
└── 3D检查
↓
6. 输出阶段
├── 生成Gerber文件
├── 生成钻孔文件
└── 生成装配文件
5.2 Pcbnew界面介绍
5.2.1 界面布局
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ 菜单栏 │ 文件 │ 编辑 │ 视图 │ 放置 │ 布线 │ 检查 │ 工具 │ │
├─────────────────────────────────────────────────────────────┤
│ 主工具栏 │ [保存][撤销][重做][选择][布线][测量] ... │
├─────────────────────────────────────────────────────────────┤
│ 图层工具栏（顶部）│ [F.Cu][B.Cu][Edge.Cuts] ... │
├─────┬───────────────────────────────────────────────┬───────┤
│ │ │ │
│ 左 │ │ 图 │
│ 侧 │ PCB设计区 │ 层 │
│ 工 │ │ 管 │
│ 具 │ │ 理 │
│ 栏 │ │ 器 │
│ │ │ │
├─────┴───────────────────────────────────────────────┴───────┤
│ 状态栏 │ X: 50.00mm │ Y: 30.00mm │ dx: │ dy: │ 距离: │ 角度:│
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘
5.2.2 图层管理器
图层管理器显示在右侧，用于控制图层的显示和选择。
图层管理器功能：
- 显示/隐藏图层（点击眼睛图标）
- 选择活动层（点击图层名称）
- 调整图层颜色（右键菜单）
- 快速选择预设（顶层/底层/所有层）
5.2.3 外观管理器
外观管理器用于控制不同元素的显示方式。
可控制的显示选项：
- 走线/焊盘/过孔
- 封装
- 网络
- 覆铜区域
- 丝印
- 网格
5.3 板子设置
5.3.1 从原理图更新PCB
方法1：在Eeschema中
菜单：Tools → Update PCB from Schematic
或按F8
方法2：在Pcbnew中
菜单：Tools → Update PCB from Schematic
更新选项：
□ Re-link footprints to schematic symbols
重新链接封装到原理图符号
□ Delete footprints with no schematic symbols
删除原理图中不存在的封装
□ Replace footprints with those specified in schematic
用原理图中指定的封装替换
5.3.2 绘制板框
板框定义了PCB的物理边界，必须在Edge.Cuts层绘制。
绘制矩形板框：
1. 选择Edge.Cuts层
2. 使用绘图工具绘制矩形
菜单：Place → Graphic Line
或使用矩形工具
3. 确保图形封闭
绘制圆角板框：
1. 选择Edge.Cuts层
2. 绘制主体矩形
3. 在角落添加圆弧
4. 删除直角部分
精确尺寸设置：
1. 绘制线段后双击编辑
2. 输入精确的起点和终点坐标
3. 或使用属性面板输入尺寸
5.3.3 设置板子参数
板子设置对话框：
菜单：File → Board Setup
设置选项：
├── Board Stackup（板叠层）
│ ├── 层数设置
│ ├── 铜箔厚度
│ └── 基材厚度
│
├── Design Rules（设计规则）
│ ├── 最小线宽
│ ├── 最小间距
│ ├── 最小过孔尺寸
│ └── 最小钻孔尺寸
│
├── Net Classes（网络类）
│ ├── 默认规则
│ └── 自定义网络类
│
├── Constraints（约束）
│ ├── 线宽约束
│ ├── 间距约束
│ └── 过孔约束
│
└── Text & Graphics（文字和图形）
├── 默认文字尺寸
└── 默认线宽
5.3.4 设计规则配置
常用设计规则参数：
基本参数（适用于大多数PCB厂商）：
最小线宽 : 0.15mm ~ 0.2mm
最小间距 : 0.15mm ~ 0.2mm
最小过孔外径 : 0.6mm ~ 0.8mm
最小过孔钻孔 : 0.3mm ~ 0.4mm
最小环宽 : 0.15mm
阻焊桥 : 0.1mm
推荐设置（标准双面板）：
走线宽度 : 0.25mm (信号)
走线宽度 : 0.5mm ~ 1mm (电源)
间距 : 0.2mm
过孔 : 0.8mm / 0.4mm
网络类设置：
Default（默认）：
线宽: 0.25mm
间距: 0.2mm
过孔: 0.8/0.4mm
Power（电源）：
线宽: 0.5mm
间距: 0.3mm
过孔: 1.0/0.5mm
HighSpeed（高速）：
线宽: 0.2mm
间距: 0.15mm
阻抗控制
5.4 元器件布局
5.4.1 布局原则
基本布局原则：
1. 功能分组
- 将功能相关的元器件放在一起
- 模拟电路和数字电路分开
- 高频和低频电路分开
2. 信号流向
- 遵循信号流向布局
- 输入在一侧，输出在另一侧
- 减少信号交叉
3. 热管理
- 发热元器件分散放置
- 考虑通风和散热
- 远离热敏感元器件
4. 机械考虑
- 连接器放在板边
- 考虑外壳和安装孔
- 注意高度限制
5. 便于布线
- 减少走线长度
- 避免走线拥挤
- 为关键信号预留空间
5.4.2 移动和旋转元器件
移动元器件：
M : 移动（断开走线）
G : 拖动（保持走线）
Ctrl+M : 移动到精确位置
移动时：
- 按R旋转
- 按F翻转到另一面
- 按X/Y翻转
旋转元器件：
R : 逆时针旋转90°
Shift+R : 顺时针旋转90°
E → 修改角度 : 任意角度旋转
翻转元器件：
F : 翻转到另一面（顶面/底面）
5.4.3 对齐和分布
对齐工具：
选择多个元器件后：
菜单：Align/Distribute
对齐选项：
- 左对齐
- 右对齐
- 顶对齐
- 底对齐
- 水平居中
- 垂直居中
分布选项：
- 水平均匀分布
- 垂直均匀分布
5.4.4 锁定元器件
选择元器件 → 右键 → Lock/Unlock
锁定后：
- 元器件无法被意外移动
- 显示锁定图标
- 需要解锁才能编辑
5.4.5 查找元器件
Ctrl+F : 打开查找对话框
T : 按参考标号查找
查找选项：
- 按参考标号（如R1, C5）
- 按值（如10k, 100nF）
- 按封装
5.5 交互式布线
5.5.1 布线基础
开始布线：
X : 开始布线
点击焊盘或走线开始
布线时操作：
- 点击添加拐点
- 双击或点击目标焊盘结束
- Esc取消当前布线
- Backspace删除上一段
布线模式：
/ : 切换布线模式
模式选项：
1. Walk Around（绕行）
- 自动绕过障碍物
2. Shove（推挤）
- 推开已有走线
3. Highlight Collisions（高亮冲突）
- 只显示冲突，不自动避让
5.5.2 布线参数
设置走线宽度：
布线时按W键选择预设宽度
或在属性面板设置：
- 使用网络类默认值
- 手动指定宽度
常用线宽参考：
信号线：
标准信号 : 0.2mm ~ 0.3mm
高速信号 : 0.15mm ~ 0.2mm
电源线（按电流选择）：
< 0.5A : 0.3mm
0.5A ~ 1A : 0.5mm
1A ~ 2A : 1.0mm
2A ~ 3A : 1.5mm
> 3A : 2.0mm或更宽
5.5.3 添加过孔
自动添加过孔：
布线过程中按V键
自动在当前位置添加过孔并切换层
过孔类型：
Through Hole Via（通孔过孔）
- 贯穿所有层
- 最常用类型
Blind Via（盲孔）
- 从外层到内层
- 不贯穿整板
Buried Via（埋孔）
- 仅在内层之间
- 外层看不到
Micro Via（微过孔）
- 非常小的过孔
- 用于高密度设计
过孔参数：
过孔外径 : 0.6mm ~ 1.0mm
钻孔直径 : 0.3mm ~ 0.5mm
环宽 : ≥ 0.15mm
推荐比例：
过孔外径 : 钻孔 = 2:1
5.5.4 布线技巧
走线拐角：
布线时按空格键切换拐角模式：
- 45°拐角（推荐）
- 90°拐角
- 圆弧拐角
推挤布线（Push and Shove）：
启用推挤模式后：
- 新走线会推开已有走线
- 保持设计规则间距
- 大大提高布线效率
差分对布线：
选择差分对网络：
菜单：Route → Route Differential Pair
或按6键
差分对自动保持：
- 等长
- 等间距
- 同步拐角
5.5.5 修改走线
拖动走线：
G : 拖动走线段
D : 拖动走线拐点
调整走线：
选择走线 → E : 编辑属性
可修改线宽、层等
右键菜单：
- 改变线宽
- 改变所在层
- 拆除走线
删除走线：
选择走线 → Delete : 删除选中段
U : 取消已完成的布线
Backspace : 布线时删除上一段
5.6 覆铜区域
5.6.1 覆铜概述
覆铜（Copper Pour/Zone）是大面积的铜箔区域，通常用于：
- 接地平面
- 电源平面
- 屏蔽
- 散热
5.6.2 创建覆铜区域
添加覆铜：
菜单：Place → Add Filled Zone
或按Ctrl+Shift+Z
步骤：
1. 点击开始位置
2. 绘制区域边界
3. 双击或右键结束
4. 在弹出对话框中设置属性
覆铜属性设置：
Net（网络）：
选择覆铜连接的网络（通常是GND）
Layer（层）：
选择覆铜所在的铜箔层
Priority（优先级）：
多个覆铜重叠时的优先顺序
Clearance（间隙）：
与其他网络的最小间距
Minimum Width（最小宽度）：
覆铜的最小走线宽度
Pad Connections（焊盘连接）：
Thermal Relief : 热焊盘（推荐）
Solid : 实心连接
None : 不连接
Fill Mode（填充模式）：
Solid : 实心填充（推荐）
Hatched : 网格填充
5.6.3 填充覆铜
B : 填充所有覆铜区域
Ctrl+B : 清除所有覆铜填充
右键菜单：
- Fill Zone : 填充当前区域
- Unfill Zone : 清除当前区域
5.6.4 编辑覆铜
修改边界：
选择覆铜边界：
- 拖动顶点移动
- 右键删除顶点
- 双击添加顶点
修改属性：
双击覆铜 → 打开属性对话框
修改网络、间隙、优先级等
5.6.5 多个覆铜区域
重叠覆铜处理：
使用优先级控制：
- 高优先级覆铜覆盖低优先级
- 适用于电源岛设计
示例：
GND覆铜优先级: 0
VCC覆铜优先级: 1 (更高)
禁止区域：
菜单：Place → Rule Area
用途：
- 禁止布线区域
- 禁止覆铜区域
- 禁止过孔区域
5.7 3D查看
5.7.1 打开3D查看器
菜单：View → 3D Viewer
或按Alt+3
5.7.2 3D视图操作
视角控制：
左键拖动 : 旋转视图
中键拖动 : 平移视图
滚轮 : 缩放
预设视角：
Z : 俯视（Top）
Shift+Z : 仰视（Bottom）
X : 右视
Shift+X : 左视
Y : 前视
Shift+Y : 后视
5.7.3 显示设置
菜单：Preferences → Display Options
可控选项：
- 显示/隐藏元器件
- 显示/隐藏丝印
- 显示/隐藏阻焊
- 渲染模式（OpenGL/光线追踪）
- 背景颜色
5.7.4 导出3D模型
菜单：File → Export
导出格式：
- STEP (.step, .stp) : 机械设计软件
- VRML (.wrl) : 通用3D格式
- IDF (.emn, .emp) : 电子机械接口
5.8 设计规则检查（DRC）
5.8.1 DRC概述
设计规则检查（Design Rules Check）验证PCB布局是否符合制造和电气要求。
检查内容：
- 间距违规
- 线宽违规
- 过孔违规
- 未布线网络
- 短路
- 悬空走线
- 阻焊违规
5.8.2 运行DRC
菜单：Inspect → Design Rules Checker
或按Shift+Ctrl+D
步骤：
1. 点击"Run DRC"
2. 查看错误和警告列表
3. 双击条目定位到问题
4. 修复问题
5. 重新运行DRC
5.8.3 常见DRC错误
间距错误：
错误：Clearance constraint violation
原因：两个元素之间距离小于最小间距
解决：
1. 移动走线或元器件
2. 调整走线路径
3. 检查设计规则设置
未布线错误：
错误：Unconnected items
原因：网络中存在未连接的焊盘
解决：
1. 完成布线
2. 检查网络连接
短路错误：
错误：Short circuit
原因：不同网络意外连接
解决：
1. 检查走线和覆铜
2. 分离错误连接
5.8.4 配置DRC规则
菜单：File → Board Setup → Design Rules
自定义规则文件：
File → Board Setup → Design Rules → Custom Rules
规则文件格式：
(rule "high_current"
(condition "A.NetClass == 'Power'")
(constraint track_width (min 0.5mm))
)
5.9 生成制造文件
5.9.1 Gerber文件
Gerber是PCB制造的标准文件格式。
生成Gerber：
菜单：File → Plot
设置：
1. 选择输出目录
2. 选择要输出的层：
□ F.Cu (顶层铜箔)
□ B.Cu (底层铜箔)
□ 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 (板框)
3. Gerber选项：
- 格式: Gerber X2 (推荐)
- 坐标格式: 4.6
- 使用扩展名: 是
4. 点击"Plot"生成
5.9.2 钻孔文件
生成钻孔文件：
在Plot对话框中：
点击"Generate Drill Files"
设置：
- 格式: Excellon
- 单位: 毫米
- 零点抑制: 无
- 合并PTH和NPTH: 否
文件类型：
- PTH (电镀孔)
- NPTH (非电镀孔)
5.9.3 Pick and Place文件
用于自动贴片机。
菜单：File → Fabrication Outputs → Component Placement
生成内容：
- 元器件位置
- 旋转角度
- 所在面（顶面/底面）
- 参考标号
5.9.4 检查输出文件
使用Gerber查看器：
菜单：Tools → Launch Gerber Viewer
或单独启动GerbView
检查内容：
1. 导入所有Gerber文件
2. 检查层对齐
3. 检查焊盘和走线
4. 检查丝印可读性
5. 验证板框尺寸
5.10 实战案例：LED闪烁电路PCB
5.10.1 设计目标
将第4章设计的555定时器LED闪烁电路转换为PCB。
设计参数：
- 板子尺寸: 50mm × 30mm
- 层数: 双面板
- 线宽: 0.3mm
- 电源线宽: 0.5mm
5.10.2 PCB设计步骤
步骤1：更新PCB
1. 在Eeschema中打开原理图
2. 按F8更新PCB
3. 确认所有封装都已分配
4. 点击"Update PCB"
步骤2：设置板子
1. 打开Board Setup
2. 设置设计规则：
- 最小线宽: 0.2mm
- 最小间距: 0.2mm
- 最小过孔: 0.8mm/0.4mm
步骤3：绘制板框
1. 选择Edge.Cuts层
2. 使用矩形工具绘制50×30mm边框
3. 或使用精确坐标：
- 起点: (100, 100)
- 终点: (150, 130)
步骤4：布局元器件
布局策略：
1. 电源输入在左侧
2. 555在中央
3. LED输出在右侧
4. 电容靠近555引脚
布局顺序：
1. 放置555 IC
2. 放置周围电阻电容
3. 放置LED
4. 添加安装孔
步骤5：布线
布线顺序：
1. 电源线（VCC和GND）
2. 关键信号线
3. 其他连接
布线要点：
- 电源使用0.5mm线宽
- 信号使用0.3mm线宽
- 尽量减少过孔
- 避免锐角
步骤6：添加覆铜
1. 选择B.Cu层
2. 添加GND覆铜区域
3. 覆盖整个板子
4. 按B填充覆铜
步骤7：添加丝印
1. 检查元器件丝印位置
2. 添加板子名称和版本
3. 添加日期信息
步骤8：运行DRC
1. 打开DRC工具
2. 运行检查
3. 修复所有错误
4. 确认警告可以接受
步骤9：3D检查
1. 打开3D查看器
2. 检查元器件高度
3. 检查整体外观
4. 确认无碰撞
步骤10：生成输出文件
1. 生成Gerber文件
2. 生成钻孔文件
3. 在GerbView中验证
5.11 本章小结
本章详细介绍了KiCad PCB布局设计的基础知识：
-
PCB概述：了解了PCB的结构、层次类型和设计流程。
-
界面介绍：熟悉了Pcbnew的界面布局和主要功能。
-
板子设置：学会了设置板框、设计规则和网络类。
-
元器件布局：掌握了布局原则和元器件操作方法。
-
交互式布线：学习了布线基础、布线模式和过孔添加。
-
覆铜区域：了解了覆铜的创建、设置和填充方法。
-
3D查看：学会了使用3D查看器检查设计。
-
DRC检查：掌握了运行和解决设计规则检查问题。
-
制造输出：学会了生成Gerber和钻孔文件。
-
实战案例：通过LED电路实践了完整的PCB设计流程。
通过本章的学习，读者应该能够独立完成简单的双面PCB设计。在下一章中，我们将学习元器件库和封装管理的详细内容。
浙公网安备 33010602011771号