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--- kicad6designprocess [2022/05/23 16:18]
gongyu
+++ kicad6designprocess [2022/05/27 18:05] (当前版本)
gongyu [2. 用KiCad设计PCB的流程]
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 这一节我们来看一下PCB是如何设计出来的? KiCad6这个工具在整个流程中是如何使用的。
-### 1. PCB的设计及相关的知识
+----
-在开始介绍PCB的设计流程外，我先说一下跟PCB设计相关的一些其它的、但很必要的技能和理念。
+我们先看一下这个图，这是一个PCB从概念到变成能工作的实物的完整过程，每个环节必不可少。
-第一点，为了设计一块PCB，一般要经历来来回回好几个步骤，从做出决定，需要经过多次迭代以后，才能达到最终让我们满意的结果。因为我们要创造的产品必须能够很好地执行特定操作(或多个操作)，所以我们的设计必须是高质量、安全且可制造的。设计一个无法制造的[[PCB]]是没有意义的。
+{{ :pcb_54.png?1000 |}}<WRAP centeralign>一个完整的PCB从设计到加工的流程</WRAP>
-第二点，在设计PCB的时候，除了我们的设计要满足功能和性能的要求之外，还要有美学方面的考虑，要看起来也比较赏心悦目，从某种意义上讲，设计一个PCB，不仅是要完成一个工程项目，同时也是一个艺术创作的过程。
+有一些环节虽然是由生产厂商来做，比如DFM、生产，但我们也有必要了解一下他们的流程以及要求，这样我们的设计才更有针对性，设计出来的PCB才具有可制造性。
-第三，作为一个[[PCB|印刷电路板]]的设计者，即便我们不需要成为一个专家，掌握一些关于PCB制造的知识也还是非常有用的。我们需要了解PCB制造工厂的能力，以确保自己的设计不超过他们的实际能力，这样设计好的[[PCB]]才是可制造的。每个PCB制造商都会基于自己的实际制造能力提供一份详细的“设计规则” - 一般会发布在他们的官方网站上，规定他们可以实现的尺寸和公差。例如，他们可能要求所有的走线宽度不能低于5mils。
+用KiCad工具能做的事情就是这么几个部分 - 绘制原理图、PCB布局、布线、构建以及管理元器件库、输出Gerber文件，但前提是我们必须有一个靠谱的方案设计，如果方案不合理，没做好，所有的设计都没有意义。
-最后一点，作为一名工程师，我们不仅需要了解设计过程，熟练地使用设计工具，还必须具备一定的电路和电子元器件知识。设计PCB，就像工程中的许多其它东西一样，是一个流程和迭代过程，其中包含了个人选择的重要元素。随着我们的经验和技能的积累，将来的设计中会形成自己独特的设计风格和有效的设计流程，即便如此，我们的设计仍然要遵循一些通用的规则，而这些规则是建立在对电路、电子元器件知识，乃至电磁场理论的深刻理解上的。
-{{ :pcb_54.png?1000 |}}<WRAP centeralign>一个完整的PCB从设计到加工的流程</WRAP>
-好，强调了以上的4点，下面我就来说一下PCB设计的主要流程
+我们在设计的过程中要用电气规则、设计规则来检查板子的设计有没有风险和错误，而这些规则需要我们有比较好的电子电路、电磁场理论的基础以及与生产制造相关的工艺了解；
-总的来讲，PCB设计过程主要有如下的两个步骤:
+拿到板子以后的焊接、安装、调试乃至备料有的是我们自己来做，有的可能是由其他同事来做，但我们要让这个过程尽可能少出错、这就需要我们的设计充分考虑到原理图中的可阅读性、设计的规范化以及文档的正确、完备等等。
-  - 第一个步骤，先设计一个能准确描述电路工作的原理图;
-  - 然后，再通过元器件的布局和布线实现一个可以加工的[[PCB]]板图
-我们的设计的目标就是生成一套能够表征PCB板图的文件，这些文件中包含有关设计的板子的信息，制造商可以使用这些信息来制板。布局必须包含关于板的大小和形状的信息，它的结构(比如它必须有多少层)，元器件在板上的位置，PCB板上的各种元素置，如焊盘、孔、走线和板边的位置，以及这些元素的特征(如过孔和走线的大小)等等。
+因此PCB设计不仅仅是会使用工具，不仅仅是你操作得多快，KiCad只是一个帮你实现目标的工具，用好它的前提是你要对要做的事情有较好的规划、设计要规范、严谨。
 ### 2. 用KiCad设计PCB的流程
+我们再来具体看一下KiCad在整个PCB设计过程中的作用以及它的操作步骤，看一下这个用KiCad来设计PCB的流程图。
 {{ :kicaddesignprocess.png |}}<WRAP centeralign>用KiCad设计PCB的设计流程</WRAP>
-当我们将此通用流程引入[[KiCAD]]时，可以将其映射到图所示的元素。这个过程"原理图编辑器"开始。在"原理图编辑器"中，我们创建了描述最终将被制造到PCB中的电路的电气原理图。通过从库中选择元器件的原理图符号并将它们添加到原理图图纸上来绘制原理图。如果我们需要的器件在现有的库中没有，可以使用"原理图库编辑器"来创建它，然后在加载到原理图图纸中使用。
-定期进行[[ERC|电气规则检查]]和[[ERC|设计规则检查]]有助于及早发现设计中存在的潜在问题。原理图编辑器和PCB编辑器都具有用于此目的的内置检查工具，以助于生产PCB的时候降低设计或电气缺陷的风险。
+我们的设计是从"原理图设计"开始的 - 根据项目的要求，基于我们的电路设计知识，用抽象的元器件符号构建一个能够工作的电气原理图，这种图类似我们模拟电路、数字电路书本上的一些电路图，但区别在于我们用到了具体的器件，指定了器件上的每一个管脚跟其他器件的管脚是如何连接的。这一部分是硬件设计的核心，因为它决定了最终产品的功能、性能、功耗、成本等。修改其中一个管脚的连接，会导致后面整个流程的重新来过。
-在使用PC编辑器之前，我们需要做两件事:
+我们最终需要的不是一个抽象的原理图，而是能够生产加工制造的、安装上元器件才能够工作的板图，这就需要我们基于绘制好的原理图，在1:1的图纸上将1:1的元器件封装摆放好，并将他们连接起来，就像我们造房子一样。这个过程叫PCB布局、布线。
-  - 将原理图编辑器中的器件与封装关联起来;
-  - 创建netlist文件，其中包含PCB编辑器需要设置的布局表。netlist文件是连接原理图编辑器和PCB编辑器的桥梁。
-符号是原理图中元器件的图形表示，它没有物理上的对应物。但是，在PCB编辑器(Pcbnew)中，所有的内容都是真实的，因为它们在现实世界中都有对应的对象。因此，作为设计者，我们必须将符号与其占用的板上空间联系起来。封装是真实存在的;它可以是PCB上的电阻、开关或焊盘。这允许我们将原理图器件与封装模块相匹配。
+从原理图到PCB布局布线之间需要一个桥梁 - “映射封装”，它能够把原理图中用到的所有符号都分配一个要使用的元器件的封装。
-一旦我们完成了符号和封装之间的关联，就可以从原理图编辑器导出网表文件。然后将网表导入PCB编辑器，在原理图编辑器中关联的所有封装将出现在一个新工作表中，这样我们就可以开始进行元器件封装的布局了。
+在原理图设计以及映射封装的过程中，我们用到的元器件有的在KiCad库中已经存在，比如一些通用性较强的器件 - 电阻、电容、运算放大器、STM32微控制器等，我们可以直接调出来使用，但很多新的器件需要我们自己来创建，我们会用到**符号编辑器**来创建新的符号并对所有的符号库进行管理；会用到“封装编辑器”来生成新的封装，并对所有的封装库进行管理。**符号编辑器**和**封装编辑器**是为原理图设计和PCB布局、布线服务的、为这两个过程提供基础的素材。
-我们使用PCB编辑器来定位图纸上的封装并将它们之间进行布线。布线可能非常耗时，特别是对于大的电路板。可以使用自动布线工具，这一功能可以显著减少布线的时间。
+定期进行针对原理图的[[ERC|电气规则检查]]和针对PCB布局布线的[[DRC|设计规则检查]]有助于我们及早发现设计中存在的潜在问题。
-待完成了PCB的布局和布线，我们需要进行[[DRC|设计规则检查]]了。这一检查是为了寻找电路板上的缺陷，例如走线太接近一个[[PAD|焊盘]]或两个[[footprint|封装]]有重叠。
+完成了PCB的布局、布线工作后，就可以做最后一步 - 提交生产文件去加工PCB。所有生产PCB的厂商都能接受“Gerber”文件，它是一种行业的标准。实际上Gerber文件是一组文件，PCB上的每一层都有一个Gerber文件，Gerber文件还包含生产厂商制造PCB所需的指令。
-请注意，不同PCB制造商可能有不同的生产工艺能力，并且他们可能以更高的价格提供更高工艺要求的服务。如果我们正在设计高密度，高复杂度的PCB，最好先货比三家，基于性价比寻找具有适合我们需求的设计规则的制造商。
-完成PCB的布局和布线工作后，就可以做最后一步 - 提交生产文件去加工PCB。在这一步我们要确保导出的PCB信息的格式与我们制板的制造商的要求是兼容的。所有生产厂商都能接受的一种文件格式叫“Gerber”格式，它是一种行业标准。实际上Gerber文件包含多个相关文件，PCB上的每一层都有一个Gerber文件，并包含制造工厂制造PCB所需的指令。
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 我们下一节就来看一下到哪里去加工PCB，需要给加工厂提供什么文件。