PCB 設計逐步指南:掌握電路板佈線的藝術
1 分鐘
印刷電路板(PCB)是每個電子設備的關鍵元件,用於承載並連接電子零件。無論你正在為高科技醫療設備、工業機械或家用電子產品打造電路,學習 PCB 設計都能確保你的電路既可靠又功能完善。本教學將帶你認識 PCB 設計最重要的步驟,提供佈局技巧、說明如何擺放零件,並介紹當今最先進的應用。
1. 什麼是 PCB 設計?
PCB 設計是將電路圖轉化為實體電路板藍圖的關鍵步驟,它整合了積體電路、電容、電阻等各種電子零件。PCB 的結構決定了這些零件的實體位置、電氣性能、散熱能力以及製造的簡易程度。
2. PCB 設計的關鍵元件與術語
在開始繪製前,先了解以下核心元件與術語:
印刷電路板(PCB):電子組裝的基礎載板,由銅層、基材與防焊層組成。
電路圖:以圖形方式呈現電子零件及其連接關係,是 PCB 佈局的依據。
表面貼裝元件(SMD):直接焊在 PCB 表面,無需鑽孔。
插件元件:引腳穿過 PCB 孔洞並在背面焊接。
銅走線:連接各零件的細銅線。
3. PCB 設計流程:逐步指南
將電子裝置構想轉化為 PCB 需經過多個步驟:
定義需求與規格:繪圖前須明確電路需求,包括:
- 電壓與電流需求
- 訊號完整性考量
- 機械限制(尺寸、外形、安裝方式)
- 散熱需求
繪製電路圖
使用 PCB 設計工具繪製電路圖,定義零件連接與功能,作為後續佈局的基礎。
零件擺放:良好擺放可提升性能,重點包括:
電源引腳就近:將去耦電容靠近 IC 電源引腳,降低電壓雜訊。
散熱管理:發熱零件間預留空間,避免過熱。
訊號路徑最佳化:縮短關鍵訊號路徑,提升整體性能。
走線佈線:完成擺放後,進行銅線連接,重點如下:
訊號完整性:確保走線無雜訊與失真。
電源與接地層:鋪設大面積銅層,穩定電源並降低干擾。
導孔使用:在多層板中連接不同層的走線。
可製造性設計(DFM):
完成設計前,確認符合製造商的最小線寬、孔徑與間距規範,降低成本並避免生產問題。
4. PCB 佈局技巧:實現最佳性能
遵循最佳實務並注意細節,可讓 PCB 發揮最佳效果:
降低雜訊:雜訊會干擾訊號並降低性能,做法包括:
- 在電源引腳旁放置接地電容。
- 縮短資料線長度。
- 隔離類比與數位訊號,避免互相干擾。
散熱考量:良好的散熱可延長壽命並提升可靠度:
- 在發熱零件周圍使用散熱導孔與銅箔。
- 必要處加裝風扇或散熱片。
- 保持零件間距,利於空氣流通。
電源完整性:確保 PCB 提供穩定、低雜訊的電源:
- 鋪設完整的電源與接地層。
- 電源走線加寬以降低阻抗。
5. 常見 PCB 設計錯誤與避免方法
即使經驗豐富的設計師也可能犯錯,請留意以下陷阱:
忽略零件規格書:務必查閱規格書,確認尺寸與電氣需求。
間距不足:高壓零件間須保留足夠距離,避免電弧或短路。
導孔使用不當:過度或錯誤放置導孔會導致訊號完整性問題與阻抗升高。
6. PCB 設計的跨產業應用
PCB 設計在重視速度與可靠度的各產業皆扮演關鍵角色:
航太系統:
航太 PCB 須符合嚴苛環境下的性能與可靠度規範,導航、飛行器與通訊設備皆採用高密度多層板。
再生能源解決方案:
風機與太陽能逆變器等綠能系統依賴 PCB 實現高效轉換與控制,降低成本並提升系統效益。
智慧家庭自動化:
智慧家庭裝置需 PCB 實現控制與通訊,讓照明、安防與中控系統無縫整合。
機器人與自動化:
馬達控制、感測整合與通訊系統皆需高可靠度 PCB,確保自動化設備持續精準運作。
環境監測系統:
溫濕度、空氣品質等感測器透過 PCB 實現無線傳輸與低功耗運行,適合長期戶外部署。
7. 選擇合適的 PCB 零件
挑選正確零件對性能與可靠度至關重要,考量因素包括:
零件規格:確認電壓、電流與頻率範圍符合電路需求。
環境考量:嚴苛環境應選擇耐溫濕度變化的零件。
零件供應:選擇價格合理且供貨穩定的零件,兼顧品質。
結論
PCB 設計兼具藝術與科學,需同時考量電氣、散熱與機械因素。遵循本教學的步驟與最佳實務,即可在各種應用中打造出可靠且高效能的 PCB。隨著科技進步,PCB 需求只會持續攀升,不論是工業設備、汽車系統或消費性電子,優秀的 PCB 都是產品成功的關鍵。
持續學習
PCB 基礎 2:設計準則
歡迎來到我們 PCB 基礎系列第二篇文章。本文將深入探討實現最佳 PCB 設計性能與功能的關鍵設計準則。不論您是電子愛好者、業餘玩家、工程師、學生或業界專業人士,掌握這些準則都能讓您打造出高品質的 PCB 設計。 讓我們與 JLCPCB 一起深入細節! 元件擺放: 有效的元件擺放對於 PCB 的最佳性能至關重要,它影響訊號完整性、熱管理與可製造性。 討論元件擺放時,請考量與熱源、訊號路徑及連接器的距離等關鍵因素。 強調類比與數位元件分離的重要性,以降低干擾;並指出將高速元件靠近訊號源擺放,可減少訊號衰減。 為降低訊號衰減,應縮短高速元件與訊號源之間的走線長度;較短的走線可減輕寄生元件造成的訊號損失、反射與失真。 將高速元件靠近訊號源擺放,可控制阻抗並降低串擾與雜訊耦合,從而提升訊號品質並降低訊號損壞的風險。 走線佈線: 正確的走線佈線對訊號完整性、EMI/EMC 合規性及阻抗控制至關重要。 為保持訊號完整性,必須透過正確的走線佈線技術將訊號反射降至最低。訊號反射會在傳輸線阻抗突然變化時發生,導致訊號部分反射,進而造成訊號劣化與時序錯誤。若要減少反射,應使用受控阻抗走線,使傳輸線阻抗與源端及負載匹配......
理解阻抗及其在 PCB 設計中的角色
阻抗是電機工程與電路設計中的基本概念。今天我們將概述阻抗,說明阻抗公式,介紹阻抗計算器等工具,並解釋阻抗如何影響 PCB 設計中的焊劑與元件選擇等因素。 什麼是阻抗? 阻抗(Z)代表交流電路中對電流流動的總阻礙,由電阻(R)與電抗(X)組成。電阻直接阻礙電流,電抗則儲存與釋放能量,兩者共同於交流系統中阻礙電流。 阻抗公式為: Z = R + jX 其中: R 為電阻分量 X 為電抗分量 j 為虛數單位 電阻為固定值,電抗則隨電容與電感的頻率而變,因此交流電路中的阻抗與頻率相關。阻抗計算器可根據給定頻率下的 R 與 X 值計算阻抗。 阻抗公式顯示阻抗具有大小與相位兩部分。大小(|Z|)計算如下: |Z| = √(R² + X²) 相位角(θ)為: θ = arctan(X/R) 此電壓與電流間的相位關係在交流供電系統中十分重要,變壓器與馬達等元件需正確的相位角,相位亦會影響功率因數,因此大小與相位皆為阻抗的關鍵考量。 集膚效應 在高頻下,交流電傾向於主要沿導體外表面流動,這一現象稱為集膚效應,使電子宛如在表面附近起舞,導致有效電阻增加,因電流被限制在靠近表面的較小截面積內。 集膚效應源於導線電感產生......
關於 PCB 絲網印刷你應該知道的事
印刷電路板(PCB)表面的印刷文字、符號、標記與圖像層,稱為 PCB 絲印。作為 PCB 製程的一環,它將特定油墨或類似油墨的物質印刷在 PCB 表面,以提供元件位置、組裝指示與識別資訊。 在接下來的章節中,我們將更詳細說明絲印於 PCB 的優點,同時介紹三種製作絲印的方法及其各自的優缺點。 PCB 絲印印在電路層與防焊層之上,亦稱為元件面或頂面。特別的是,我們可在絲印層加入各種資訊,包括警告標誌、組裝指示、企業或品牌標誌、元件名稱、標記等。 完成防焊層與電路層後,我們在生產流程的後段進行 PCB 絲網印刷。利用細網版或模板將絲印油墨塗佈於 PCB 表面,以產生標記與資訊。為了在 PCB 背景上提供良好可視性,通常使用黑白等對比色作為絲印油墨。 · 採用絲印 PCB 列印的優點 人們選擇在 PCB 上進行絲印印刷主要有 7 個原因: 1. 元件識別 2. 組裝指引 3. 電路理解 4. 品牌與標誌擺放 5. 美觀 6. 合規與認證 7. 文件與參考 以元件識別為例,絲印透過印刷提供視覺指引,讓人快速辨認JLCPCB 元件。在實際應用中,它能作為不同元件的標誌、名稱或標籤。組裝、測試或維修時,這些識......
選擇最佳 PCB 色彩——提升美觀與功能性
您想設計一款兼具卓越性能與美觀外觀的電子裝置嗎?PCB 防焊層的顏色在實現美學與功能性方面扮演著重要角色。您選擇的 PCB 防焊層顏色能展現電子裝置的獨特風格。不論是鮮豔的紅色、時尚的黑色,還是經典的綠色,顏色都能為設計定調。它能吸引目光、營造良好的第一印象,並提升整體產品體驗。選擇防焊層顏色時,務必考量目標客群、品牌形象與產品設計美學等因素,以打造視覺上吸引人的裝置。 由 JLCPCB 製造的 PCB PCB 顏色種類 常見顏色包括綠色、藍色、紅色、黑色、白色、紫色與黃色。 綠色 PCB 綠色是電路板最常見的顏色,尤其在傳統 FR-4 玻璃纖維板上。綠色 PCB 具備優異的可視性與對比度,讓人眼更容易辨識電路路徑與元件。它們通常具有良好的耐熱與耐濕性,且生產成本相對較低。 藍色 PCB 在特定工業與通訊領域較為常見。藍色具有良好的對比度,便於辨識元件與線路。 缺點: 1. 由於藍色 PCB 的產量不如綠色 PCB 高,小批量生產時價格可能略高。 2. 雖然藍色提供良好對比度,但在較暗環境中檢查焊點可能不如綠色 PCB 容易。 黃色 PCB 黃色 PCB 通常具備優異的散熱性能,有助於熱量逸散。這......
發光二極體(LED)
發光二極體(LED)已成為現代電子產品的基石,從家用照明到複雜的工業系統皆可見其身影。將 LED 整合進印刷電路板(PCB)對各種應用至關重要,可提供高效、多功能且可靠的照明解決方案。本文探討 LED 的基本原理、歷史、類型、應用,以及在設計含 LED 的 PCB 時的關鍵考量。 什麼是 LED? LED 是一種半導體元件,當電流通過時會發光。與傳統白熾燈泡不同,LED 無需加熱燈絲來產生光,而是利用電致發光:電子與電洞在元件內部復合,以光子形式釋放能量。這種方式讓 LED 更高效且發熱更少。 LED 的歷史 電致發光的概念最早由 Marconi Labs 的 H.J. Round 於 1907 年發現。然而,直到 1962 年,Nick Holonyak Jr. 在通用電氣工作時才開發出第一顆實用的可見光 LED。初期 LED 僅有紅色,經過數十年進展,已擴展至綠、藍、白光 LED,為廣泛應用鋪路。 LED 的類型 1. 標準 LED: 常見於指示燈與顯示器,提供多種顏色與尺寸。 2. 高亮度 LED: 用於需要更強光的應用,如手電筒與車用照明。 3. RGB LED: 透過紅、綠、藍光混合產生......
在 PCB 設計中使用 ISP 燒錄埠的重要性
在 PCB 設計領域,優化空間與降低成本始終是首要任務。將 In-System Programming(ISP)連接埠直接整合到 PCB 上,是達成這些目標的有效方法之一。ISP 連接埠可在無須常駐燒錄元件的情況下,直接對板上的微控制器或其他可程式化裝置進行燒錄。本文將說明在 PCB 設計中使用 ISP 燒錄連接埠的重要性,並探討其如何節省成本與縮小板面積。 什麼是 ISP 燒錄連接埠? ISP(In-System Programming)連接埠是一組位於 PCB 上的引腳,可直接在板上對微控制器及其他可程式化裝置進行燒錄。這種方式無須在初次燒錄後仍將專用燒錄硬體留在 PCB 上。ISP 連接埠通常採用標準引腳排列,可與多種燒錄工具相容。 ISP 燒錄連接埠範例 使用 ISP 燒錄連接埠的優點 1. 節省成本:透過 ISP 連接埠,可省去專用燒錄連接器及相關元件,降低整體 BOM(物料清單)成本。 2. 縮小板面積:移除常駐燒錄元件後,可釋放寶貴的 PCB 空間,實現更緊湊的設計。 3. 彈性高:ISP 連接埠提供彈性的燒錄與除錯方案,便於在開發過程中更新韌體或進行修改。 4. 簡化設計:導入 I......