Raspberry Pi HAT 設計指南：GPIO、EEPROM、電源與 PCB 佈局
4 分鐘
- 什麼是 Raspberry Pi HAT？
- HAT vs uHAT vs HAT+ vs 非 HAT 擴充板
- 開始設計之前：GPIO 排針與 Pinout
- 逐步教學：如何設計 Raspberry Pi 擴充板
- 機械設計：電路板尺寸、安裝孔與間距
- 電源設計：3.3V、5V 與 Raspberry Pi 反向供電
- 邏輯準位轉換（3.3V ↔ 5V）
- ID EEPROM：讓擴充板成為正式 HAT
- 使用 KiCad 與 EasyEDA 設計（搭配範本）
- 可製造性設計（DFM）與 HAT 製造
- 設計 Raspberry Pi HAT 時的常見錯誤
- 結論
- 常見問題
Raspberry Pi 是一款功能強大的開發板，但單靠它本身並不足以滿足所有專案需求。有時我們會需要額外功能，例如高功率驅動器、即時時鐘，或更穩定的 UPS 電源系統，為周邊的不同感測器供電。這時，HAT 就成為將 Raspberry Pi 擴充成專用系統最簡單的方式之一。
這正是 Raspberry Pi HAT 如此實用的原因：您可以根據應用需求增加額外電路。當需求改變時，只要拔下 HAT，就能立即讓 Raspberry Pi 恢復原本的狀態。
在本指南中，您將學到：
- 什麼是 Raspberry Pi HAT
- Raspberry Pi 5 的主要 HAT+ 規範
- 如何使用 40-pin GPIO 排針
- 電源與反向供電需要注意哪些事項
- 邏輯準位轉換如何保護 Raspberry Pi
- ID EEPROM 如何讓擴充板成為正式規範的 HAT
- 如何進行 PCB 佈局並投入製造
閱讀完本指南後，您將掌握一套可重複使用的設計流程，未來設計任何 Raspberry Pi 擴充板時都能套用。不需要從零開始設計，本文最後也提供了可供參考的範本。
什麼是 Raspberry Pi HAT？
Raspberry Pi HAT（Hardware Attached on Top）是一種可以堆疊在 Raspberry Pi 40-pin GPIO 排針上方的擴充電路板，用來增加 Raspberry Pi 的功能。HAT 具有明確規範的機械外形、標準 2×20 連接器，以及用於儲存電路板識別資訊的 ID EEPROM，讓 Raspberry Pi 可以在開機時辨識擴充板並自動設定相關接腳。
圖：Raspberry Pi HAT
您可以把 HAT 想像成 Raspberry Pi 專用的「擴充背包」，直接安裝在主板上方。與使用跳線和麵包板相比，HAT 能提供更穩固、緊湊的 PCB 結構，並與 Raspberry Pi 的安裝孔精準對齊。Raspberry Pi 在 2014 年推出 HAT 概念，希望為擴充板生態建立一致的標準。相關規範定義了電路板尺寸、連接器、供電方式以及自我識別 EEPROM 等重要項目。只要正確遵循這些要求，就能讓擴充板成為適合 Raspberry Pi 使用者的即插即用擴充裝置。
HAT vs uHAT vs HAT+ vs 非 HAT 擴充板
HAT（原始全尺寸版本）
經典 HAT 的尺寸與較大型 Raspberry Pi 型號相近，例如 Pi 3 與 Pi 4。它支援完整的 40-pin 排針、具有規定的電路板外形，並包含 ID EEPROM。這也是多數人提到 HAT 時首先想到的標準形式。
圖：HAT、uHAT 與 HAT+ 比較
uHAT（Mini／半尺寸）
uHAT（Mini HAT）是一種尺寸較小的擴充板，外形設計成適合 Raspberry Pi Zero。它仍然使用 40-pin 排針，而且可以配置 EEPROM，但整體尺寸更小，因此適合低成本以及空間受限的設計。
HAT+（Raspberry Pi 5 的現行標準）
HAT+ 在 2023 年 12 月隨 Raspberry Pi 5 推出。相較於原始 2014 年 HAT 規範，它放寬了部分嚴格的機械要求，並修改電源與 EEPROM 相關規範，同時增加更多功能，例如支援 Raspberry Pi 5 上的 PCIe 連接器。
非 HAT 擴充板
當然可以設計一片直接連接 GPIO 排針、但沒有 EEPROM 或不完全符合規定外形的電路板。只是這種設計不能正式稱為「HAT」。對個人專案以及原型開發而言，這類擴充板仍然完全可以使用。
| 電路板類型 | GPIO 連接器 | 安裝孔 | 是否需要 ID EEPROM？ | 適用 Raspberry Pi 型號 |
|---|---|---|---|---|
| HAT（全尺寸） | 40-pin 2×20 | 4 × M2.5 | 是 | Pi 2／3／4（Model B／A+） |
| uHAT（Mini） | 40-pin 2×20 | 2–4 × M2.5 | 建議配置 | Pi Zero／Zero 2 W |
| HAT+ | 40-pin 2×20 | M2.5（規則較寬鬆） | 是（更新版規範） | Pi 5（並向下相容） |
| 非 HAT 擴充板 | 40-pin（或更少） | 選配 | 否 | 任何具有 40-pin 排針的型號 |
開始設計之前：GPIO 排針與 Pinout
HAT 上的所有功能都會透過 40-pin GPIO 排針與 Raspberry Pi 連接，因此這也是設計的起點。這組排針採用2×20、2.54 mm 間距配置，共有 40 個接腳，分成兩排，每排 20 個。
圖：Raspberry Pi GPIO 排針
這 40 個接腳並不全部都是一般 GPIO。有些負責供電、有些是接地、有些提供專用通訊匯流排，另外兩個則保留給電路板識別功能。大致可以分成：
- 電源軌：兩個 5V 接腳與兩個 3.3V 接腳，可為擴充板上的電子元件供電。
- 接地：8 個 GND 接腳分布於排針不同位置，可提供良好的回流路徑。
- I2C：GPIO2（SDA）與 GPIO3（SCL），用於感測器與周邊裝置。
- SPI：GPIO7–GPIO11 提供 SPI Bus，可連接顯示器、ADC 等高速周邊。
- UART：GPIO14（TXD）與 GPIO15（RXD），用於序列通訊。
- 一般 GPIO：其餘接腳可作為彈性的數位 I/O，依實際需求進行配置。
逐步教學：如何設計 Raspberry Pi 擴充板
接下來進入整篇指南的核心。以下是一套可以重複使用的六步驟流程，讓您每次設計 Raspberry Pi 擴充板時，都能從零開始一路完成至 PCB Layout。
圖：從原理圖、PCB 到組裝的 Raspberry Pi 擴充板設計流程
步驟 1：定義需求與子系統：根據應用需求決定電路板需要包含哪些功能，例如馬達驅動器、感測器 Hub、Audio DAC 或電源供應器，再列出所有功能區塊。將每個功能區塊對應到需要使用的 GPIO、通訊 Bus 與電源軌。
步驟 2：從電路板外形範本開始：不要完全手動畫出電路板外形，而應使用已經包含正確 Board Shape 的機械範本。如此可以確保 40-pin 排針 Footprint 與安裝孔能準確對齊 Raspberry Pi。本文最後附有 Raspberry Pi 範本可供使用。
步驟 3：繪製原理圖：放置 2×20 排針符號，連接電源軌與接地，再將各個子系統連接至對應 GPIO。建議使用清楚一致的 Net Naming 規則，讓後續 PCB Layout 更容易管理。
步驟 4：設計電源樹：決定每個元件如何供電，是直接使用 5V／3.3V 電源軌，還是透過額外的本地穩壓器。計算整體電流需求是否在 Raspberry Pi 可提供的範圍內，並在每顆 IC 附近配置去耦電容。
步驟 5：加入 ID EEPROM 電路：將 24Cxx 類型 EEPROM 連接至 ID_SD／ID_SC Bus，並加入正確的 Pull-Up 電阻。這個 EEPROM 能讓擴充板從一般「Add-On Board」提升為符合規範的 HAT，同時支援自動設定。
步驟 6：進行 PCB Layout：先放置排針以及安裝孔，因為這些位置是固定的，再安排其他元件以獲得乾淨的走線。高電流走線應加寬、去耦電容應靠近對應 Pin，EEPROM 則應配置在 ID 接腳附近。
圖：fredj21 的開源 Raspberry Pi 擴充板原理圖
實際了解完整流程的一個好方法，就是研究開源專案。OSHWLab 上由 fredj21 製作的 Raspberry Pi HAT 專案就是一個完整且清楚的案例。您可以並排查看原理圖與 PCB，理解排針、電源以及各種周邊功能是如何整合在一起的。
圖：fredj21 的開源 Raspberry Pi 擴充板 PCB
機械設計：電路板尺寸、安裝孔與間距
HAT 必須能正確安裝在 Raspberry Pi 上，因此機械尺寸要求應優先處理，而且不能忽略。原始全尺寸 HAT 外形為 65 mm × 56 mm，GPIO 排針另一側的兩個邊角採用圓角設計。
板對板間距同樣非常重要，尤其是 Raspberry Pi 5。原始 HAT 規範假設的支柱高度約為 10–12 mm；HAT+ 則允許更大的間距，建議約為 15–16 mm。額外空間可以確保 Pi 5 Active Cooler 等配件在 HAT 下方仍有足夠安裝空間。
| 參數 | 原始 HAT | HAT+（Pi 5 世代） |
|---|---|---|
| 電路板外形 | 65 × 56 mm | 較寬鬆／可變 |
| 安裝孔 | 4 × M2.5 | M2.5，與 Pi 對齊 |
| 圓角半徑 | 有明確規範 | 較寬鬆 |
| 板對板間距 | 10–12 mm | 15–16 mm（預留 Active Cooler 空間） |
| GPIO 區域延伸 | 不可覆蓋 USB／Ethernet | 不可覆蓋 USB／Ethernet |
電源設計：3.3V、5V 與 Raspberry Pi 反向供電
電源是第一次設計 HAT 時最容易出錯的部分之一，因此必須清楚處理。擴充板可以透過 GPIO 排針取得電源，在某些情況下，也可以反向為 Raspberry Pi 供電。
圖：Raspberry Pi 電源設計指南
GPIO 排針提供 5V 與 3.3V 電源軌。其中 5V 電源軌具有較高供電能力，並與 Raspberry Pi 的主要電源輸入相連。3.3V 接腳只能作為輸出使用，由 Raspberry Pi 板上的穩壓器供電，因此可用電流有限，而且絕對不能從外部向這些接腳輸入電源。
為 Raspberry Pi 反向供電
反向供電（Back-Powering）是指透過 GPIO 排針上的 5V 接腳為整台 Raspberry Pi 供電。這種情況下，電源必須維持在 5V，並至少能提供 1.3A，建議提供 2A。
HAT 電源設計的幾項重要原則：
- 絕對不要向 3.3V 接腳輸入外部電壓。
- 如果採用反向供電，在負載條件下應將 5V 電源軌維持在 5V ±5%。
- 如果擴充板既能由 Raspberry Pi 供電，也能使用自己的外部電源，應加入串聯保護二極體。
圖：crazydna 的開源 JuiceBox Raspberry Pi Shield 設計
如果想研究以電源為核心的實際設計，可以參考 OSHWLab 上 crazydna 的 JuiceBox RPi Shield。這是一款開源 Raspberry Pi 電源擴充板，其原理圖與 PCB Layout 展示了實際設計如何處理 GPIO 排針上的 5V 供電以及相關保護。
圖：crazydna 的 JuiceBox Raspberry Pi Shield 原理圖
邏輯準位轉換（3.3V ↔ 5V）
Raspberry Pi 的 GPIO 使用 3.3V 邏輯準位，而且不具備 5V 耐受能力。如果直接向 GPIO 輸入 5V，可能損壞該輸入接腳，甚至損壞整顆 SoC。如果 HAT 上所有裝置都使用 3.3V，就不需要準位轉換器；但如果需要與 5V 感測器、顯示器或邏輯裝置通訊，就需要使用邏輯準位轉換器（Level Shifter），安全地在兩種電壓準位之間轉換訊號。
圖：Raspberry Pi GPIO 邏輯準位轉換原理圖
常見的做法是使用雙向邏輯準位轉換器。其中一種成本低且常見的方式，是讓每一條訊號線使用一顆 N-Channel MOSFET，並分別在兩側電源軌加入 Pull-Up 電阻。低電壓側上拉至 3.3V，高電壓側上拉至 5V，MOSFET 則允許訊號在兩個方向傳輸。
這種方式尤其適合 I²C，因為 I²C 採用開漏、雙向訊號。如此可以讓不同工作電壓的裝置安全通訊，而不會迫使任何一側超出本身規定的電壓範圍。
ID EEPROM：讓擴充板成為正式 HAT
這是讓一般擴充板成為真正 HAT 的關鍵。ID EEPROM 是一顆小型非揮發性記憶體，用來儲存電路板相關資訊，例如板名、GPIO 對應以及 Device Tree 資訊，讓 Raspberry Pi 可以在開機時讀取內容並自動完成設定。
圖：Raspberry Pi EEPROM 設定原理圖
HAT 規範對 EEPROM 有相當明確的要求。若希望實現可靠的 HAT 自動辨識，以下細節必須正確。EEPROM 連接至保留的 ID_SD／ID_SC Bus（Pin 27 與 Pin 28），並應符合以下要求：
- 類型：3.3V、16-bit Addressable 的 24Cxx 類型 EEPROM，例如 24C32 或容量更大的型號。
- I2C 位址：ID Bus 上使用 0x50。
- Bus 速度：100 kHz I2C，而且不可使用 Clock Stretching。
- Pull-Up：ID_SD 與 ID_SC 都使用 3.9 kΩ 電阻上拉至 3.3V。
- 寫入保護：應加入 Write-Protect 設計，避免 ID 資料意外被修改。
| 要求 | 規格 |
|---|---|
| EEPROM 類型 | 24Cxx、3.3V、16-bit Addressable |
| 建議元件 | CAT24C32（32 kbit） |
| I2C 位址 | 0x50 |
| Bus | ID_SD／ID_SC（Pin 27／28） |
| Clock Speed | 100 kHz，不支援 Clock Stretching |
| Pull-Up 電阻 | 兩條訊號線皆使用 3.9 kΩ 上拉至 3.3V |
| 寫入保護 | 必要（Jumper 或 GPIO 控制） |
沒有 EEPROM 的擴充板在電氣上仍然可以正常工作，只是不能正式稱為符合規範的 HAT，也不支援自動設定。如果您的目標是完整符合 HAT 規範，那麼增加這顆成本極低的晶片是值得的。
使用 KiCad 與 EasyEDA 設計（搭配範本）
設計 Raspberry Pi HAT 並不需要昂貴的軟體。如果希望使用免費且功能完整的工具，兩個常見選擇分別是KiCad以及EasyEDA。KiCad 是開源、跨平台的 EDA 工具；EasyEDA 則以瀏覽器為基礎，並提供大型元件庫。
無論使用哪一種工具，都建議從現有範本開始，而不是從空白 PCB 開始設計。社群維護的 KiCad 與 EasyEDA HAT 範本，通常已經包含 65 × 56 mm 電路板外形、M2.5 安裝孔以及 2×20 GPIO 排針 Footprint。使用這些範本，是確保機械設計符合 Raspberry Pi HAT 外形規範最快也最簡單的方法之一。
圖：Vista 的開源 Raspberry Pi HAT 範本
對 EasyEDA 使用者而言，OSHWLab 上由 Vista 提供的 Raspberry Pi HAT Template 是一個可以直接使用的起點。只要開啟專案並複製至自己的 Workspace，電路板外形、安裝孔與排針位置就已經設定完成。
圖：Raspberry Pi HAT 設計範本
設計階段還有幾項實用技巧：
- 使用正確的母座 2×20 Socket Footprint，確保 HAT 可以向下插接至 Raspberry Pi。
- 清楚命名 Net，並讓名稱與 GPIO 功能相對應。
- 在設計過程中提早且頻繁執行 Design Rule Check（DRC），不要等到最後才一次檢查。
可製造性設計（DFM）與 HAT 製造
完成原理圖與 PCB Layout 後，下一步就是把設計真正製作出來，而且盡可能避免生產時才發現問題。可製造性設計（Design for Manufacturing，DFM）的目的，就是讓 PCB 可以在低成本、高良率的條件下順利製造與組裝。
匯出製造檔案之前，可以先確認以下 DFM 項目：
- 遵守最小製造設計規則
- 檢查絲印
- 確認連接器方向
- 加入 Fiducial 基準點
- 進行 PCB 拼板
確認 PCB Layout 通過檢查後，即可輸出標準製造檔案，包括 Gerber（銅層、防焊層與絲印層）、BOM（元件清單）以及 CPL／Pick-and-Place File（元件位置與旋轉角度）。
完成檔案後，可以將 Gerber 上傳至 JLCPCB 取得即時 PCB 報價，並搭配PCBA／SMT 組裝服務，讓 HAT 在交付時就已經完成 EEPROM、邏輯準位轉換器以及其他元件的焊接。EasyEDA 也可以搭配 JLCPCB 零件庫進行元件選擇，讓設計從 PCB Layout 更順利地進入完整 PCBA 製造流程。
設計 Raspberry Pi HAT 時的常見錯誤
即使是有經驗的設計人員，也可能遇到以下幾個常見問題。設計時提早檢查這些項目，可以提高第一版 HAT 直接成功的機率：
- 使用錯誤排針：如果使用錯誤的 Connector，例如使用公排針而不是母座 2×20 Socket，HAT 可能根本無法正確安裝在 Raspberry Pi 上。
- 誤用保留 ID 接腳：Pin 27／28（ID_SD／ID_SC）是保留給 ID EEPROM 使用的接腳，不應拿來當作一般 GPIO 使用。
- 使用 8-bit Addressable EEPROM：規範要求 16-bit Addressable 24Cxx 元件，8-bit Addressable EEPROM 無法被正確讀取。
- 將 5V 直接輸入 GPIO：Raspberry Pi GPIO 僅支援 3.3V，而且不具備 5V 耐受能力。
- 沒有 Pull-Up 或 Pull-Up 阻值錯誤：ID Bus 應使用 3.9 kΩ Pull-Up，否則 EEPROM 可能無法正常工作。
- 向 3.3V 接腳輸入電源：這些接腳只能輸出，請勿從外部驅動，否則可能損壞 Raspberry Pi 的穩壓器。
結論
第一次設計 Raspberry Pi 擴充板時，面對大量規範與技術文件可能會感到複雜。但實際上，整個流程可以整理為六個清楚的步驟：需求、範本、原理圖、電源、EEPROM 與 PCB Layout。
掌握這套流程後，就可以套用在幾乎任何 Raspberry Pi 專案中，例如馬達 HAT、感測器 HAT，或完全按照自己需求設計的客製化擴充板。完成 PCB Layout 後，只要輸出 Gerber、BOM 與 CPL 檔案，即可交由 JLCPCB 製造並取得即時製造報價。短時間內，就能讓電腦中的 PCB 設計檔轉化為完整組裝且可以實際運作的硬體。
常見問題
問：什麼是 Raspberry Pi HAT？
Raspberry Pi HAT（Hardware Attached on Top）是一種插接在 Raspberry Pi 40-pin GPIO 排針上的擴充板，用來增加額外功能。它具有規範的機械外形、標準 2×20 連接器以及 ID EEPROM，讓 Raspberry Pi 可以在開機時自動辨識並設定擴充板。
問：HAT 與 uHAT 有什麼不同？
全尺寸 HAT 為 65 × 56 mm，主要對應 Pi 3、Pi 4 等較大型 Raspberry Pi。uHAT（Mini HAT）則採用較小的 Raspberry Pi Zero 尺寸。兩者都使用 40-pin 排針，也都可以配置 EEPROM；主要差異在於實體尺寸與目標 Raspberry Pi 型號。
問：製作 HAT 一定需要 EEPROM 嗎？
如果希望製作符合規範並正式稱為 HAT 的擴充板，就需要 ID EEPROM。EEPROM 會儲存電路板相關資訊，讓 Raspberry Pi 在開機時自動完成設定。沒有 EEPROM 的擴充板在電氣上仍然可以工作，也適合個人專案，但無法提供 HAT 自動辨識功能。建議使用位址為 0x50 的 24Cxx EEPROM。
問：可以透過 GPIO 排針為 Raspberry Pi 供電嗎？
可以，這種方式稱為反向供電（Back-Powering）。可以透過排針的 5V 接腳供電，電壓應保持在 5V ±5%，並至少提供 1.3A，建議提供 2A 以上。如果使用 Pin 26 之後的 GPIO，原文建議提供 2.5A 並加入安全二極體。絕對不要向 3.3V 接腳輸入電源，因為它們只能作為輸出使用。
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