掌握 PCB 電路板電路圖：從零開始到像專業人士一樣閱讀與繪製
1 分鐘
在為實際應用設計電路時，最好使用 PCB。PCB 是電子系統的正式電氣表示。如果你不希望元件之間的線路雜亂無章，最好將其轉換為電路板。設計 PCB 有兩個步驟：首先是線路圖設計。線路圖顯示了 IC、電容器、電阻器及其他元件如何互相連接。
線路圖是我們用來產生 PCB 模擬與測試向量的藍圖。第二步是設計 PCB 本身，因為我們從線路圖知道這些元件在板子上將如何連接，便於解讀。正式來說，從線路圖轉到 PCB 時，軟體會產生網表，再用來連接焊盤與元件。在 USB 3.x Hub 線路圖範例中，我們採用了典型的現代 數位設計，具有 中央 IC、穩壓電源路徑、USB 連接器與去耦網路。
線路圖 vs PCB 佈局——你必須了解的兩種圖
每個硬體系統都使用兩種互補的圖來記錄：
1. 線路圖（邏輯設計）： 以符號形式呈現每個元件，並標示適當的輸入/輸出與電源接腳。利用這些功能區塊，我們可以表示電路的電氣連接。它定義了所有規則、電路行為與元件工作條件。使用符號、網路與功能區塊。之所以稱為邏輯，是因為電路的運作取決於我們在此處所做的連接。
2. PCB 佈局（實體實現）： 在紙上電路運作良好，我們可以做模擬，但實際電路由銅線、導孔、疊構、佈線與機械限制組成。若考慮這些後性能仍保持不變，就表示設計完美。佈局的重點在於如何走線；有大量書籍與指南，經驗是關鍵。我們必須考慮 訊號完整性、阻抗控制與可製造性。
以下是我設計的高速 USB Hub PCB 對應影像，遵循了上述所有準則。
符號、網路與階層說明
符號代表元件（例如電阻、電容、TVS 二極體、USB Hub、穩壓器）。這些基本上是實際元件的圖形表示。
網路捕捉電氣連接；將網路命名為 VBUS、3V3、DM/DP、TX_P/N 可提升可讀性。這些網路主要在實際 PCB 佈線時提供協助。
階層將複雜設計劃分為功能區塊，例如：
- 主 USB Hub IC
- 電源調節與穩壓
- USB 上行/下行連接埠
- 晶體振盪器電路
- 狀態 LED
- 保護網路
這種階層式風格在我的線路圖中清晰可見，每個區塊都整齊分組。
10 分鐘內讀懂任何電路圖：
快速閱讀線路圖是必備的工程技能；它依賴區段與元件。若了解基本元素及其用法，解讀電路就會變得非常容易。
標準元件符號庫（2025 版）：
2025 年最常見的線路圖庫包含以下標準化符號：
- 被動元件： R、C、L、網路
- 半導體： 二極體、BJT、MOSFET
- IC： 簡單（運算放大器、LDO）與複雜（MCU、USB Hub、PMIC）
- 特殊元件： ESD 二極體、共模扼流圈、訊號開關
- 連接器： USB Type-A/Type-C、排針、引腳陣列
在我們的 USB Hub 線路圖中，去耦電容器、穩壓器、TVS 二極體與差分 USB 線路的符號都有明確定義。
追蹤訊號流與電源軌
主要有兩種流向：電源與訊號。一條網路要麼是電源，要麼承載類比或數位訊號。我們可以沿著電源或訊號路徑來判斷板子的運作。
對於電源，先找出所有供電輸入（VBUS → 5V → 3.3V 穩壓器）。然後追蹤穩壓後的電源軌到 IC 的電源接腳，並追蹤接地網路。找出大容量電容器、ESD 保護與濾波元件。
要在我的 USB 設計中追蹤訊號流，先從 USB 上行路徑到 Hub IC，再從 Hub IC 的下行連接埠繼續。差分走線（TX/RX 對）務必注意，因為它們有特定的阻抗與等長要求。
辨識常見區塊：電源、MCU、類比、RF
你的 USB Hub 線路圖包含專業 PCB 系統中常見的區塊：
- 電源區塊： 5V 輸入、LDO、去耦網路
- 數位區塊： USB5744 Hub IC、組態接腳、重設網路
- 時脈區塊： 25 MHz 或相關晶體電路
- USB I/O 區塊： 差分 D+/D− 對、ESD 保護、連接埠致能線
- 指示區塊： LED、限流電阻
理解積體電路圖：
IC、MCU 與 PMIC 的接腳判讀技巧
對於像設計中 USB5744 這類大型 IC：
1. 依功能分組接腳：
- 電源接腳（VDD、VDD33、GND）
- USB 上行/下行接腳
- 組態接腳
- LED/狀態接腳
2. 尋找必要元件：
- 每個 VDD 接腳附近的去耦電容器
- 串聯終端電阻
- 晶體負載電容器
- ESD 網路
3. 檢查特殊接腳：
- 差分對（TX±、RX±）
- 組態接腳（設定裝置模式）
- 重設、致能與測試接腳
解讀資料表中的參考設計
資料表通常提供建議的線路圖連接與電源時序要求。這兩者至關重要，因為我們可用這些資料自訂設計，而電源時序則說明電壓與電流瞬變，因此可決定走線厚度與板上穩壓電源。
在資料表中，我找到了晶體振盪器的負載組態、USB 訊號 佈線規則 與 EMI/ESD 指南。根據我所整理的資料，制定了高速走線的佈局限制。
從線路圖到實際 PCB——關鍵連接
網路名稱、封裝指派與 DRC
1. 網路命名： 清晰的名稱如 VBUS、3V3_OUT、TX1_P/N、DM/DP 可避免佈線錯誤。
2. 封裝指派： 每個符號必須對應實際實體封裝：
- USB Hub IC 使用 QFN 封裝
- 電容與電阻使用 SMD 封裝
- USB Type-A 連接器
3. 設計規則檢查（DRC）： 檢查走線寬度是否符合電流需求，差分對是否滿足阻抗規則。
產生 BOM 與基本 PCB 佈局技巧
BOM（材料清單）： 包含料號、數值、封裝、容差、電壓等級與製造商。
佈局技巧： 為將雜散電感降至最低，去耦電容器應盡量靠近 IC 接腳。USB 高速走線應保持短且等長以減少訊號反射。差分對下方應有連續接地平面。維持 USB 3.x 通道的正確差分阻抗，必要時以 20H 規則分離類比與數位回流路徑，其中 H 為兩相鄰層間距。
實際 PCB 基本電路圖
LED 閃爍器、電源與音訊放大器：
雖然我使用了較複雜的設計範例，一些入門電路可幫助練習線路圖解讀：
- LED 閃爍器： 簡單的 GPIO + 電阻 + LED 組合。
- 穩壓電源： 具回授與濾波的 LDO 或 DC-DC 轉換器。
- 音訊放大器： 運算放大器或 D 類拓撲，含增益、輸入濾波與輸出級。
快速排查電路圖錯誤
初學者最常見的錯誤：
- 缺少或擺放錯誤的去耦電容器，未遵循正確阻抗曲線。
- 因錯誤的網路標籤造成短路
- 浮接組態接腳
- 晶體負載電容器數值錯誤
- 高速差分訊號阻抗不匹配
- 連接器方向錯誤
結論：
PCB 電路圖不僅是一張圖，更是定義電子系統如何運作的核心工程文件。我已討論了開始設計所需的幾乎所有概念。掌握線路圖閱讀與理解，將邏輯圖轉換為 PCB 佈局，並累積經驗。在專業層面，我們可以建構可靠的高速系統，如 USB Hub、微控制器平台與電源模組。
持續學習
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