PCB设计大师篇笔记

文章目录

前言
一、产品设计流程
二、元件选型
- [2.1 信号接口选型](#2.1 信号接口选型)
- [2.2 模块接口选型](#2.2 模块接口选型)
- - [2.2.1 常用低速/控制接口 (板级通信)](#2.2.1 常用低速/控制接口 (板级通信))
  - [2.2.2 调试与烧录接口 (程序下载)](#2.2.2 调试与烧录接口 (程序下载))
  - [2.2.3 物理连接器选型](#2.2.3 物理连接器选型)
- [2.3 电源设计](#2.3 电源设计)
- - [2.3.1 电源树](#2.3.1 电源树)
  - [2.3.2 电源设计法则](#2.3.2 电源设计法则)
三、LDO、DCDC
- [3.1 LDO介绍](#3.1 LDO介绍)
- - [3.1.1 LDO工作原理](#3.1.1 LDO工作原理)
  - [3.1.2 LDO的电气特性](#3.1.2 LDO的电气特性)
- [3.2 DCDC电路](#3.2 DCDC电路)
- - [3.2.1 DCDC概念](#3.2.1 DCDC概念)
  - [3.2.2 BUCK电路](#3.2.2 BUCK电路)
  - [3.2.3 BOOST 电路](#3.2.3 BOOST 电路)
四、基准电压源
- [4.1 使用基准电压源的优势](#4.1 使用基准电压源的优势)
- [4.2 基准电压源TL431](#4.2 基准电压源TL431)
五、滤波电容
总结

前言

在学习完PCB设计基础篇之后，现在开始大师篇的学习，内容均来自"Expert 电子实验室"的教程。

这篇文章，主要介绍原理，包括产品设计流程，元件选型，LDO和开关电源，基准电压源和滤波电容等内容。

一、产品设计流程

PCB设计流程：原理图设计 -> PCB设计(布局布线) -> 板厂加工 -> 焊接组装

PCB设计到产品设计流程如下图所示：

简单来说就是分析需求，然后设计方案，接着进行PCB设计，拿到PCB焊接好之后，验证PCB的产品功能。

二、元件选型

我们的需求是"设计一款基于STM32的开发板，满足电赛仪表组的需求"，接下来需要设计方案。

设计方案
主控：STM32F103VET6
信号接口 ：ADC、DAC
模块接口 ：屏幕、I2C、SPI、USART、USB，排针等
电源设计

MCU需要设计最小系统电路

那么MCU最小系统的电路如何确定？我们可以根据数据手册确定，包括时钟电路、电源电路、复位电路。

2.1 信号接口选型

在设计初期就把信号接口（Signal Interfaces）规划好是非常关键的一步，这决定了你的板子能和外界如何"对话"。

如果我们要用到ADC和DAC功能，模拟信号非常敏感，容易受到干扰，那么就要选则合适的物理接口以减少噪声。

SMA (SubMiniature version A) 是一种非常经典的射频（RF）和微波连接器。

在ADC/DAC设计，或者未来的无线通信（WiFi, GPS, 蓝牙）设计中，如果信号频率较高，或者要求信号质量非常纯净，SMA接口是首选。

简单来说，它是为了连接同轴电缆而设计的螺纹接口。

传输高频信号或微弱模拟信号。它的屏蔽性非常好，抗干扰能力远强于普通的排针。

SMA 对比其它接口体积适中、螺纹连接抗震、全屏蔽、频带宽 (DC-18GHz)，是开发板对外的高速/模拟接口首选。

2.2 模块接口选型

2.2.1 常用低速/控制接口 (板级通信)

这类接口通常用于芯片与芯片之间（如单片机连接传感器、存储器、小屏幕），布线简单，适合新手入门。

接口名称	线数	速度	特点与优势	典型应用	备注
UART(串口)	2(Tx,Rx)	慢	最简单、最常用。异步通信，无需时钟线	调试打印信息、连接蓝牙/WiFi模块	每个板子最好都留一个UART用于调试
I2C	2(SDA,SCL)	中慢	总线型，只需两根线就能挂载多个设备	各种I2C协议的传感器	适合引脚少的场景，但需要接上拉电阻（通常4.7K)
SPI	4(SCK, MOSI, MISO, CS)	快	全双工，速度比I2C快很多	SD卡、高速ADC、Flash存储	如果对速度有要求（如刷屏），选SPI

2.2.2 调试与烧录接口 (程序下载)

这是板子烧录代码的入口，设计时绝对不能忘。

SWD (Serial Wire Debug) : (推荐 ARM/STM32系列)

引脚: SWDIO, SWCLK, GND, VCC (4线)。

优点: 占用引脚少，速度快，主要用于STM32等ARM芯片.

JTAG :

引脚: TCK, TMS, TDI, TDO, RST 等 (比较多)。

优点: 传统标准，功能全，但占地大。新手尽量用SWD替代。

ISP (如 ESP32/Arduino) :

通常直接通过 USB转UART 进行下载，需要设计一键下载电路（利用DTR/RTS引脚控制复位和Boot）。

2.2.3 物理连接器选型

选定协议后，我们还得选"插座"。

1.排针/排母 (2.54mm间距)，用于调试口、模块连接，优点最便宜，杜邦线随手可得，方便面包板验证。

2.XH2.54 / PH2.0 端子，用于电池接口、风扇接口、扬声器，优点有防呆卡扣，插反插不进去，避免烧板子。

3.接线端子 (螺钉式/按压式)，用于电源输入、大电流接口，优点接线牢固，不需要焊接线头。

4.FPC/FFC 排线座，用于连接屏幕、摄像头，但是焊接难度大

在决定接口前，问自己这三个问题：

通信对象是谁？
速度要求多少？
距离多远？

2.3 电源设计

电源设计是PCB设计的"心脏"。如果心脏供血不足（电压不稳）或者血管爆裂（过压烧毁），整个系统无论代码写得多好都会罢工。

2.3.1 电源树

上图为"电源树"，简单来说就是画清楚电流是如何从"入口"一步步流向每一个"芯片"的。

画电源树的三个核心步骤：

第一步：罗列所有"吃饭的人"

列出板子上所有需要用电的芯片，查它们的数据手册（Datasheet），记录电压和最大电流。

器件名称	电压 (V)	最大电流 (mA)	备注
STM32F103	3.3V	50mA	核心主控
OLED屏幕	3.3V	20mA	显示
WiFi模块	3.3V	300mA	瞬时电流大
ADC芯片	3.3V	5mA	需要极低噪声
合计	-	约 375mA	-

第二步：选择"分饭的人"

根据合计电流来选电源芯片
需求： 5V 转 3.3V，总电流约 375mA。
选型： AMS1117-3.3 的最大输出电流是 800mA ~ 1A。
判断： 800mA > 375mA，够用，安全！ (如果你的WiFi模块电流是800mA，那总流超过1A，AMS1117就得换成 DC-DC 芯片了)。

第三步：隔离"吵闹的人"

这是ADC设计者最需要关注的。
WiFi模块 和单片机 是"吵闹的人"（数字信号跳变快，电源噪声大）。
ADC芯片 是"喜静的人"（电源有一点波动，采样就不准）。
策略：在电源树上，虽然它们都用3.3V，但不要让ADC和WiFi共用同一根电源线。要么用单独的LDO给ADC供电，要么在中间加磁珠/电感隔离。

2.3.2 电源设计法则

电源设计的法则：

一、选型法则：LDO 还是 DC-DC

假设你需要把输入的 5V 或 12V 变成单片机能用的 3.3V。

方案	全称	代表芯片	优点	缺点	什么时候选它
LDO	线性稳压器	AMS1117	1.纹波极小 2. 电路简单 3. 便宜	1.发热严重 (效率低) 2. 只能降压，不能升压	新手首选 1. 压差小 (如 5V转3.3V) 2. 电流小 (<500mA) 3. 给ADC/模拟电路供电 (需要干净电源)
DC-DC	开关稳压器	LM2596	1. 效率高,不发热 2. 支持大电流 (1A, 2A, 5A) 3. 输入电压范围宽 (如12V/24V)	1. 纹波大 (噪声多) 2. 电路复杂 (要有电感、二极管) 3. PCB布局要求高	大功率场景 1. 压差大 (如 12V/24V转5V) 2. 电流大 (>500mA，如带电机、大屏) 3. 系统总电源入口

经验:
5V 转 3.3V ：无脑选 LDO (AMS1117)。
12V 转 5V/3.3V ：如果电流小(只带单片机)，可以用LDO但会烫；建议选 DC-DC。
给 ADC/DAC 供电：必须用 LDO，因为DC-DC的开关噪声会毁了你的采样精度。

二、 保护法则：别让板子冒烟

1.防反接 (必做) :

二极管串联: 在电源正极串一个二极管（推荐 SS34 肖特基二极管，压降小）。如果你接反了，二极管截止，板子不通电，安全。

接口防呆: 选用 Type-C 或 XH2.54 这种有方向的插座。

2.过流保护 (保险丝) :

自恢复保险丝 (PTC)，当电流过大（比如短路）时，它变热断开；故障排除后冷却自动恢复。

3.稳压滤波 (电容阵列) :
大容滤低频，小容滤高频

在电源的输入端和输出端，都要并联电容。

标配组合：1个 100uF (或者是47uF) 的电解/钽电容 + 1个 100nF (0.1uF, 104) 的陶瓷电容。

三、布局法则：电源线要怎么画 ？

1.线宽 (Width) :

电源线就是水管，水管太细流速快了会爆管（发热/压降大）。

标准：信号线走 10-12mil，电源主干线至少走 20-40mil(0.5mm - 1.0mm)。

极简估算: 1mm线宽 ≈ 1A 电流 (温升允许范围内)。

2.回路面积 (Loop Area) :

特别是 DC-DC 电路（有电感的那种），输入电容、芯片、二极管、电感这几个器件要紧紧挨在一起。它们围成的圈（回路）越小越好，否则会向外发射电磁干扰，影响ADC采集。

3.换层打孔 (Vias) :

如果电源线需要从顶层穿到底层，不要只打一个过孔 。

做法: 打 3-4 个过孔组成的"过孔矩阵"，减少寄生电阻，也能承载更大电流。

4.铺铜 (Copper Pour) :

板子上的空余区域全部铺上 GND (地)。电源回路最终都要回流到地，大面积铺地能降低阻抗，散热也更好。

三、LDO、DCDC

3.1 LDO介绍

LDO 的全称是 Low Dropout Regulator （低压差线性稳压器），我们只需要把它理解为：一个能够把较高的电压（如5V），变成较低且稳定的电压（如3.3V）的"降压阀"。

上图是常用的LDO芯片AMS1117

3.1.1 LDO工作原理

中学时，我们做过滑动变阻器调节灯泡亮度的实验，灯泡太亮，就调大滑动变阻器的阻值；灯泡太暗，就调小滑动变阻器的阻值。这其实用到了"负反馈调节"。

上图为LDO芯片内部结构框图，可以把 LDO 想象成一个智能的可变电阻，挡在输入电源和负载之间。

来看这种场景，输入电源 V I N V_{IN} VIN为 5V 来自USB，目标输出 V O U T V_{OUT} VOUT为 3.3V 给单片机供电，LDO需要挡在中间，吃掉多余的1.7V电压。

输入电压是波动的，那么LDO这个"电阻"需要自动调整阻值。

先来看LDO芯片内部结构各模块的功能，电压基准，由二极管对输入电压进行钳位得到。
集成运算放大器 ，运算即运放的输入 ( V I N ) = 同相输入端电压 ( V + ) − 反向输入端电压 ( V − ) 运放的输入(V_{IN}) = 同相输入端电压(V_+) - 反向输入端电压(V_{-}) 运放的输入(VIN)=同相输入端电压(V+)−反向输入端电压(V−)。放大，就是运放输出端电压 ( V O U T ) = β ∗ 输入电压 ( V I N ) 运放输出端电压(V_{OUT}) = \beta * 输入电压(V_{IN}) 运放输出端电压(VOUT)=β∗输入电压(VIN)。
输出电压不能超过运放的电源电压。当 V+ 大于 V-，那集成运放的输出就是一个高电平。
这个VT是一个PNP型的三极管，它可看作一个可变电阻，受基极电压的控制，当基极电压增大的时候，它的电阻也会增大；反之减小。
V+由采样电路 得到， V + = V O U T ∗ R 2 / ( R 1 + R 2 ) V_+ = V_{OUT}*R_2/(R_1+R_2) V+=VOUT∗R2/(R1+R2)。

如果输出电压大，那么运算放大器的输出大，三极管VT的基极电压变大，其阻值变大，从而输出电压 V O U T V_{OUT} VOUT变小。

反之，输出电压小，三极管VT的基极电压变小，其阻值变小，从而输出电压 V O U T V_{OUT} VOUT变大。

这个过程与灯泡亮度调节一致，都是"负反馈调节"，从而得到一个稳定的输出电压。

这也说明了为什么LDO会发热

3.1.2 LDO的电气特性

LDO的电气特性

LDO外围器件少，电路简单，成本低，通常只需要一两个旁路电容
LDO负载响应快，输出纹波小，噪声小
LDO效率低，输入输出压差不能太大
LDO只能降压
LDO输出电流有限，最高可能就只有几A

在选型时，打开数据手册，我们需要关注 4 个参数，Vout (输出电压)，Vin (输入电压范围)，Imax (最大输出电流)，Package (封装) 。
如果压差大，必须换用 DC-DC 芯片。LDO 只适合小压差（5V->3.3V）或极小电流。

LDO 的电路非常简单，核心只有两个电容。
输入端 (Vin) : 放置一个 10uF 电容 (滤除电源波动)。
输出端 (Vout) : 放置一个 22uF 电容 + 一个 100nF (0.1uF) 电容。
注意：输出电容不仅是滤波，更是为了防止 LDO 自激振荡（如果不加输出电容，LDO 输出的电压可能会变成波浪线，导致单片机复位）。

3.2 DCDC电路

3.2.1 DCDC概念

DC/DC转换器 一种是开关电源稳压器，指利用电容、电感的储能的特性，通过可控开关（MOSFET等）进行高频开关的动作 ，将输入的电能储存在电容（感）里，当开关断开时，电能再释放给负载，提供能量。

如图所示，如果我们要调节灯泡的亮度，那么可以通过不停的闭合和断开开关做到，即PWM调制，闭合时间长，即PWM占空比高，灯泡亮；反之灯泡变暗。

只要你开关的切换的速度（频率）和每次闭合时间（占空比）控制得好，灯泡的亮度就能维持在你想要的范围。

但是这种方波信号，波动太大，显然不能直接拿来使用。

DCDC的工作原理，与之类似，它是靠"搬运"能量工作的，所以它有了 LDO 做不到的能力。

高效率降压 (Buck): 12V 变 5V，LDO 会发烫，DC-DC 几乎不热（效率可达 90% 以上）。
升压 (Boost): 这是 LDO 绝对做不到的。它可以把 3.7V 锂电池升压到 5V 给手机充电，或者升到 12V 驱动电机。
负压 (Inverting): 把 +5V 变成 -5V（给运放供电）。

3.2.2 BUCK电路

BUCK电路 （Buck Converter），中文叫降压式变换器 。它能高效地把高电压（如 12V）变成低电压（如 5V），且尽量不发热。

这个电路中，有四个核心元件：

开关管 (MOSFET)------搬运工: DC-DC 芯片本身，负责控制开关的速度（频率）和时间（占空比）。即接通和断开输入电源。
电感 (Inductor) ------ 能量仓库 ：这是 DC-DC 的灵魂。当开关接通时，电感把电能转化成磁能存起来 ；当开关断开时，电感把磁能变回电能释放出来。它把"一股一股"的电流变得平滑一些。
二极管 (Diode) ------ 续流阀: 当开关断开时，电感里的能量要释放，必须有个回路。二极管就是给电流提供回路的。
电容 (Capacitor) ------ 水库: 输入电容防止大电流把电源拉低，输出电容滤除那些"波纹"，让电压变平。

假设我们要把 12V 变成 5V

阶段一：开关接通------ 给电感充能

控制器让开关管（MOSFET）导通，电流路径： 12V电源 -> MOS管 -> 电感L -> 负载（RL） -> 地

电流流过电感。因为电感有个特性叫"阻碍电流变化"（楞次定律），电流不会瞬间飙升，而是缓慢上升 。

这个时候，电感正在把电能转化成磁能存起来。

负载得到供电。

阶段二：开关断开------ 电感释放能量

控制器让开关管（MOSFET）断开，12V电源被切断了。
电感把刚才存的磁能释放出来，变成电能，强行维持电流的方向不变 。

电流从哪回流？这就需要二极管（或同步整流的下管MOS）提供一个回路。
续流回路 ：电感 -> 负载 -> 二极管 -> 电感。

在这个阶段，负载消耗的是电感里存的"老本"。电流会缓慢下降。

阶段三：快速循环 (PWM)
只要我们把"接通"和"断开"的速度搞得非常快 ，电流就会在"缓慢上升"和"缓慢下降"之间微小波动（这就是纹波）。

最终，通过电容的滤波，输出端就得到了一个稳定的平均电压。

我们怎么把 12V 变成 5V，而不是 6V 或 8V？

这靠的是控制"MOS管导通"的时间占比，即占空比 (Duty Cycle)。

如果想输出 6V（正好是 12V 的一半）：就让开关开 50% 的时间，关 50% 的时间。

注意事项：

DC-DC 工作时，电流是脉冲式的，频率很高（几百 kHz 到几 MHz）。如果 PCB 走线画不好，这块板子就是一个巨大的电磁干扰源（EMI），会让你的单片机死机，ADC 乱跳。

输入回路尽量小 ，输入电容->芯片输入脚->GND,这三个点围成的圈（面积）要越小越好！输入电容要紧紧挨着芯片放。
功率回路短粗，芯片 -> 电感 -> 输出的连线走的是大电流，线要粗。电感下方不要走其他信号线（因为电感会像天线一样发射磁场）。
DC-DC 芯片通常有个 FB 引脚，用来检测输出电压。这根线很敏感，要从输出电容后面引出来，避开电感和开关节点（SW Node），这就是"开尔文连接"的简化版。

3.2.3 BOOST 电路

BOOST电路 （Boost Converter），中文叫升压式变换器。它可以把较低的输入电压（如 3.7V 锂电池），提升到较高的输出电压（如 5V 或 12V）。

核心比喻：水锤效应 (或者"急刹车")

为了理解 BOOST，我们想象一根很长的水管（电感），水在里面流得很快。

加速：你让水疯狂流动，速度越来越快（积攒动能）。
急刹车 ：突然，你把水管末端堵住！
后果：因为惯性，流动的水停不下来，会狠狠地撞击堵塞处，瞬间产生一个比水源压力高得多 的压力峰值。这在物理上叫"水锤效应"。

BOOST 电路就是利用这个"急刹车"产生的"高压"，通过单向阀门（二极管），存到高处的蓄水池（电容）里去。

BOOST电路核心器件与BUCK电路一样，但是它们在电路中的位置变了：

电感 (Inductor) : 这次它在输入端。它是产生高压的源头。
开关管 (MOSFET) : 它接在电感后面，另一头直接接地。它的作用是制造"短路"来给电感加速。
二极管 (Diode): 接在输出端，防止高压电流倒流回输入端。
电容 (Capacitor): 维持输出电压稳定。

假设输入是 3V，我们要得到 5V。

阶段一：开关接通 ------ 蓄力 (短路充电)

控制器让 MOSFET（S1）导通，直接把电感的后端接地（GND）。

电流路径： 3V电源 -> 电感L -> 开关管S1 -> 地。

这个电路短暂的短路 了，因为电感的阻碍作用，电流不会无穷大 ，而是线性增加。电感吸取能量，转化成磁场存起来。此时，电感就像一个被压缩的弹簧。

阶段二：开关断开------ 叠加 (释放高压)

控制器突然把 MOSFET 关断，通往地的路断了，电流只能往后面流。

电流路径： 3V电源 -> 电感L -> 二极管D->负载RL->3V电源

电感瞬间把刚才存的磁能释放出来，变成感应电动势（电压）。
关键点（叠加原理） ：此时电感变成了一节电池。而且这节"电感电池"是和"输入电源"串联的！

这个叠加后的高电压冲过二极管，给输出电容充电，电压就升高了。

和 BUCK 一样，BOOST 也是靠 PWM 占空比来控制电压的。
V A = 1 / ( 1 − D u t y ) ∗ V I N V_A = 1/(1-Duty)*V_{IN} VA=1/(1−Duty)∗VIN

如果占空比 Duty = 0.5 (50%): (升压2倍)。

如果占空比 Duty= 0.7: 电压升得更高。

原理：开关接通（蓄力）的时间越长，电感存的能量越多，断开时产生的"反弹力"（电压）就越猛。

BOOST 电路在设计时有一些独特的风险点

输出回路是干扰源，在 BOOST 电路里，输出端（二极管 -> 输出电容 -> 地）是电流跳变最剧烈的地方。这个回路面积要画得最小！
短路即炸，输入电源经过电感、二极管直接连到输出。如果你的输出端（5V）不小心短路到地，输入电源（电池）就直接短路了！通常需要在输入端加保险丝。

BUCK 是"把大块能量切成小块" ，所以电压低了。
BOOST 是"先把能量积攒起来，然后和电源一起叠罗汉"，所以电压高了。

DCDC开关电源电气特性：

DC-DC外围器件多，电路复杂，成本高
DC-DC负载响应比LDO慢，输出纹波大,噪声大
DC-DC效率高，输入电压范围宽泛
DC-DC支持降压和升压
DC-DC输出电流高，功率大

LDO 是靠发热来降压，适合低压差、小电流、高精度。

DC-DC 是靠开关来搬运，适合大压差、大电流、高效能，或者升压。

什么时候用LDO，什么时候用DCDC

比较项目	LDO	DC-DC
压差	适合小压差 (如 5V->3.3V)	适合大压差 (如 24V->5V)
电流	适合小电流 (<500mA)	适合大电流 (1A, 3A, 5A...)
效率	差 (发热严重)	高 (省电，不热)
电源纯净度	极好 (适合 ADC/音频)	差 (有纹波，有噪声)
电路复杂度	简单 (2个电容)	复杂 (电感+二极管+电容)
限制	只能降压输入输出电压有限制	输出电压纹波大开关噪声严重

四、基准电压源

基准电压源 (Voltage Reference) ，简称 Vref。是一种能提供稳定、精确、不随温度、负载、电源电压变化而波动的电压源。它是电路板上的一把"钢尺"。

普通的电源（如 LDO 输出的 3.3V）虽然叫"稳压器"，但实际上它像是一把皮尺，虽然大概是 3.3V，但会随着温度变化、负载大小、输入波动而热胀冷缩。

而基准电压源 ，就是为了在任何极其恶劣的环境下，都能提供一个雷打不动、绝对精准的电压值（比如 2.500V），供 ADC/DAC 进行测量对比。

上图所示下方的ADC模块，就应用了基准电压源VREF。

4.1 使用基准电压源的优势

想象一下，你要测量一个桌子的长度（模拟信号）。
用 VCC 做参考 ：就像拿一把橡皮筋 做的尺子去量。今天天气热，橡皮筋变长了（VCC 从 3.3V 漂移到了 3.35V），你量出来的桌子数值就变小了。结果不准 ！
用 Vref 做参考 ：就像拿一把不锈钢 做的尺子去量。不管天气多热，它永远是标准的长度。结果精准！

ADC (模数转换): ADC 读出的数字 = (输入电压 / 参考电压) × 4096。如果分母（参考电压）在乱跳，算出来的数字肯定错。
所以在使用STM32的ADC时，我们在初始化部分都会进行校准。