画pcb的软件功能、选择与使用指南

【画pcb的软件】功能、选择与使用指南

在现代电子产品设计中，印制电路板（PCB）是承载和连接所有电子元器件的核心载体。将复杂的电路原理图转化为实际可制造的物理布局，需要借助专业的软件工具。这些工具不仅仅是简单的绘图板，它们集成了强大的功能，极大地提高了设计的效率、准确性和成功率。

什么是画PCB的软件？它主要做什么？

画PCB的软件，更专业的称谓是电子设计自动化（EDA）软件中的PCB设计工具。它是一种计算机程序，旨在帮助工程师和设计师完成从电路原理图到最终可用于制造的PCB布局文件的整个过程。

它的主要功能包括：

• 原理图捕获 (Schematic Capture)： 允许用户绘制电路图，选择和放置元器件符号，连接它们之间的电气关系（网线）。这是PCB设计的基础，定义了电路的功能连接。
• 库管理 (Library Management)： 提供或允许用户创建元器件的符号（用于原理图）和封装（用于PCB布局）。封装定义了元器件在板上的物理尺寸、引脚位置、焊盘形状等信息。
• 布局设计 (Layout Design)： 将原理图中的元器件封装导入到一个虚拟的电路板上。用户可以在预设或自定义尺寸的板框内自由移动、旋转元器件，考虑它们之间的物理距离、信号流向、散热等因素。
• 布线 (Routing)： 在板上绘制导线（铜箔走线），连接元器件引脚。软件通常提供手动、自动或交互式布线工具，支持单层、双层或多层板布线。高级软件还提供高速信号、差分对、阻抗控制等复杂布线功能。
• 设计规则检查 (Design Rule Check, DRC)： 这是软件最重要的功能之一。用户可以设置各种制造和电气规则，例如导线最小宽度、焊盘间距、元器件间距、过孔大小、阻焊开窗大小等。DRC工具会自动检查布局和布线是否违反这些规则，及时发现潜在的制造或电气问题。
• 电源完整性 (Power Integrity, PI) 和信号完整性 (Signal Integrity, SI) 分析： 部分高端软件集成或支持与仿真工具联动，用于分析电源分配网络的压降、电流密度以及高速信号的反射、串扰、时延等问题，确保电路在高速、高频条件下的稳定工作。
• 三维视图 (3D View)： 提供板子及其元器件的立体预览，有助于检查元器件之间是否存在物理干涉、连接器位置是否正确，以及与外壳的匹配性。
• 输出制造文件 (Output Manufacturing Files)： 生成用于PCB制造厂生产板子的各种文件，最常见的是Gerber文件（包含各层铜箔、阻焊、丝印等图形信息）和钻孔文件（Excellon格式，定义各种孔的位置和大小）。此外，还能输出物料清单（Bill of Materials, BOM）、坐标文件等。

为什么要使用专业的PCB设计软件？

使用专业的PCB设计软件是现代电子产品开发的必然选择，主要原因在于：

• 处理复杂性： 现代电子电路的元器件数量、信号密度和布线层数远超手动或简单工具可处理的范围。专业软件能够管理成百上千个元器件和复杂的网线关系。
• 提高设计效率： 提供丰富的元器件库、强大的布局和布线工具、复制粘贴、模块化设计等功能，显著缩短设计周期。
• 保证设计准确性： 自动化的原理图到布局转换、精确的单位控制（密耳、毫米）、自动网表同步等功能，最大程度减少人为错误。
• 确保可制造性： 内置和可自定义的DRC规则与制造工艺紧密关联，帮助设计师在设计阶段就避免潜在的制造难题，提高板子的成品率和可靠性。
• 进行性能分析： 集成的或配套的仿真工具可以对电源、信号等进行分析，优化设计，提升电路性能。
• 促进团队协作与版本控制： 部分软件支持多用户协同设计和设计文件的版本管理，便于团队合作和大项目开发。
• 标准化输出： 生成业界标准的制造文件格式（如Gerber、Excellon），能够被全球绝大多数PCB制造厂接受和处理。

市面上有哪些类型的PCB设计软件？常见的有哪些？

PCB设计软件根据其功能复杂程度、目标用户群体和授权模式，可以大致分为几类：

1. 入门级/爱好级： 功能相对简单，适合电子爱好者、学生或进行简单的单层/双层板设计。通常价格较低或提供免费版本，但功能可能有限制（如层数、板尺寸、引脚数）。
2. 专业级： 功能全面，支持多层板、高速信号、差分对、阻抗控制等复杂设计，有完善的库管理和DRC功能。适合专业的电子工程师和中小企业使用。这类软件通常是商业授权，价格较高。
3. 企业级： 功能最强大，除了包含专业级所有功能外，还可能集成PLM（产品生命周期管理）、ERP、MCAD（机械设计）接口、团队协同、高级仿真分析等企业级特性，适合大型企业和复杂的系统级设计。价格昂贵。
4. 免费/开源软件： 功能逐渐完善，有些已经达到专业级水平，完全免费使用，社区支持活跃。但可能缺乏商业软件那样周到的技术支持和用户界面友好度（部分软件需要一定的学习曲线）。

5. 在线工具： 基于Web浏览器运行，无需安装，通常易于上手，适合快速设计或共享项目。功能丰富度各异，有些提供强大的免费 tier。

常见的PCB设计软件举例：

• Altium Designer： 专业级/企业级，功能非常强大且全面，用户界面友好，是行业内广泛使用的软件之一，但价格昂贵。
• KiCad EDA： 开源免费软件，功能越来越丰富和强大，支持多层板和复杂设计，社区活跃，是个人和中小团队的优秀选择。

• Eagle (Easily Applicable Graphical Layout Editor)： 曾是流行的入门级/专业级软件，现已被Autodesk收购。提供免费版本（有功能限制）和付费版本，用户群体庞大。
• Cadence Allegro/OrCAD： 行业领先的企业级/专业级软件，尤其在复杂、高速设计领域应用广泛，功能极其强大，价格昂贵。OrCAD是其功能相对精简的版本。
• PADS： Mentor Graphics (现Siemens EDA) 的专业级软件，功能全面，适用于各种复杂程度的设计。
• EasyEDA： 流行的在线PCB设计工具，提供免费和付费版本，集成了原理图、PCB、仿真功能，并与PCB制造服务紧密结合，对初学者和快速设计非常友好。
• DesignSpark PCB： RS Components提供的免费专业级软件，功能比较全面，适合中小型项目。

如何选择适合自己的PCB设计软件？

选择合适的PCB设计软件需要综合考虑多方面因素：

1. 项目复杂性： 你的设计是简单的单层/双层板，还是多层、有高速信号、射频要求、需要阻抗控制的复杂板？简单项目入门级或部分免费软件即可，复杂项目则需要功能更强大的专业级或企业级软件。
2. 预算： 你是个人爱好者、学生，还是有充足预算的公司？免费/开源软件（如KiCad, EasyEDA免费版, DesignSpark PCB）适合个人和预算有限的团队。商业软件价格从几百到几万甚至几十万美元不等，需要根据公司的经济实力决定。
3. 使用经验和学习曲线： 你是PCB设计新手，还是经验丰富的老手？有些软件界面直观，容易上手（如EasyEDA），有些则功能强大但学习曲线较陡峭（如Altium Designer, Allegro）。
4. 操作系统： 软件是否支持你使用的操作系统（Windows, macOS, Linux）？在线工具则无此限制。
5. 所需特定功能： 你的项目是否需要特定的高级功能？例如：
   • 高速信号设计工具（长度匹配、差分对布线、阻抗计算器）
   • 电源/信号完整性仿真
   • 柔性板/刚柔结合板设计
   • 射频电路设计工具
   • 强大的库管理功能
   • 与其他软件（如MCAD）的数据交换能力
   • 团队协作功能
6. 社区支持与资源： 软件是否有活跃的社区、丰富的教程、易于获取的元器件库？这对于学习和解决问题非常重要，尤其是对于免费或开源软件。
7. 与制造厂的兼容性： 确认软件输出的制造文件格式（Gerber版本、钻孔格式等）能被你计划合作的PCB制造厂接受。绝大多数主流软件都能输出标准的Gerber X2和Excellon格式，这通常不是问题。

建议： 如果是新手入门或预算有限，可以先尝试KiCad、EasyEDA的免费版、DesignSpark PCB等，它们功能已经足以完成许多中小项目。随着经验积累和项目复杂度的提高，再考虑升级到商业软件。

使用PCB设计软件进行设计的基本流程是怎样的？

无论使用哪款软件，PCB设计的基本流程大同小异，通常遵循以下步骤：

1. 创建项目： 在软件中新建一个PCB设计项目，通常会包含原理图文件和PCB布局文件。
2. 原理图设计：
   • 绘制电路原理图：从库中调出所需的元器件符号，放置在原理图纸上。
   • 连接元器件：使用“导线”工具连接元器件引脚，表示它们之间的电学连接关系。
   • 添加电源、地符号：连接电源和地线。
   • 设置元器件属性：给元器件赋予位号（如R1, C3, U5）、封装类型、值（如10kΩ, 0.1uF）、容差、制造商型号等信息。
   • 创建层级原理图（如果需要）：对于复杂设计，可以将原理图分解为多个模块和页面，使用端口连接不同页面的信号。
   • 原理图检查：运行原理图的电气规则检查（ERC），查找开路、短路、电源地冲突等错误。
3. 生成网表 (Netlist)： 从原理图中生成一个网表文件。网表列出了所有元器件及其引脚之间的连接关系，是连接原理图和PCB布局的桥梁。现代集成软件通常在项目内部管理这个关系，无需单独生成文件。
4. 创建或导入PCB板框： 在PCB布局编辑器中，根据产品外形或安装要求，绘制或导入板子的外形轮廓（Board Outline）。
5. 导入原理图信息： 将原理图的元器件和连接关系导入到PCB布局中。软件会显示所有元器件的封装和它们之间的“飞线”（Ratlines），飞线代表了网表中定义的连接关系。
6. 元器件布局 (Component Placement)：
   • 根据电路功能、信号流向、物理尺寸、散热要求、机械安装等因素，将元器件封装放置在板框内。
   • 考虑电源滤波电容靠近电源引脚，高速元器件之间距离缩短，接口元器件靠近板边等。
   • 使用软件的对齐、分布工具辅助布局。
7. 设置设计规则 (Design Rules Setting)： 根据PCB制造厂的工艺能力、电路的电气性能要求设置各种设计规则（DRC），包括但不限于：导线宽度、焊盘与导线间距、焊盘与焊盘间距、过孔大小、阻焊开窗、丝印与焊盘间距、布线层限制等。精确的规则设置是保证设计可制造性和性能的关键。
8. 布线 (Routing)：
   • 根据飞线指示，在不同的铜箔层上绘制导线连接元器件引脚。
   • 选择合适的导线宽度和过孔类型（通孔、盲孔、埋孔）。
   • 遵循信号路径、避免锐角、考虑阻抗匹配（高速信号）、差分对布线等。
   • 可以使用手动、交互式布线或自动布线工具（自动布线通常需要后期手动优化）。
   • 电源和地线通常需要更宽的走线或使用铜皮铺设（Pour/Polygon），以降低阻抗和提供良好的回流路径。
9. 铺铜 (Copper Pour/Polygon Pour)： 在板上的空白区域铺设大面积铜箔，通常用于连接地或电源，可以降低阻抗、增强散热、提供屏蔽。设置好铺铜与其它元素的间距规则。
10. 设计规则检查 (DRC)： 完成布局布线后，频繁运行DRC工具，检查所有规则是否得到满足。这是确保设计正确性的最重要步骤之一。解决所有DRC错误和警告。
11. 生成制造文件：
    • 生成Gerber文件：为每个必要的层（顶层、底层、内层铜箔、顶层阻焊、底层阻焊、顶层丝印、底层丝印、板框层等）生成一个文件。
    • 生成钻孔文件：生成钻孔位置和大小文件。
    • 生成BOM文件：输出元器件清单。
    • 生成贴片坐标文件：用于自动贴片机组装。
    • 其他文件：如测试点报告、ODB++文件（一种集成度更高的输出格式）等。
12. 光绘文件检查： 使用光绘文件查看器（Gerber Viewer，通常软件自带或有独立工具）打开生成的制造文件，模拟制造厂的处理过程，仔细检查各层是否正确、对齐是否准确、是否存在遗漏或错误。这是最后一道重要的检查环节。
13. 提交制造： 将检查无误的制造文件打包发送给PCB制造厂。

在哪里可以获取PCB设计软件和学习资源？

获取PCB设计软件及其学习资源的途径非常多：

• 软件官方网站：
  • 商业软件（Altium, Cadence, Siemens EDA等）的官方网站提供产品信息、试用版下载、购买渠道和官方文档。
  • 免费/开源软件（KiCad, DesignSpark PCB）的官方网站是主要的下载源，通常也提供文档、教程和社区论坛链接。
  • 在线工具（EasyEDA）直接通过其网站使用。
• 授权分销商/代理商： 商业软件通常通过授权的本地分销商销售和提供技术支持。
• 在线教育平台： Udemy, Coursera, edX, B站, YouTube等平台上有大量的PCB设计软件教学视频、课程，涵盖从入门到精通的各个级别，针对特定软件（如Altium Designer教程、KiCad入门）或通用的设计原理。
• 软件自带文档和教程： 大部分专业软件都自带详细的帮助文档和教程，是系统学习软件功能的权威资源。
• 社区论坛和技术博客： KiCad社区论坛、Altium官方论坛、EETech等技术社区和个人博客中有大量用户分享的设计经验、问题解答、技巧和教程。
• 图书： 有一些关于特定PCB设计软件或通用PCB设计原理的专业书籍。
• 元器件制造商和分销商网站： ADI, TI, NXP, Digi-Key, Mouser, LCSC等网站通常提供其元器件的原理图符号和PCB封装库下载，可以直接导入到软件中使用。
• 第三方库网站： SnapEDA, Ultra Librarian等网站提供海量各种元器件的符号和封装，兼容多种主流PCB设计软件格式。

画PCB的软件大概需要多少钱？有没有免费的？

PCB设计软件的价格范围非常大，从完全免费到数十万美元不等，主要取决于软件的功能、性能、支持和授权模式。

• 免费/开源软件：
  • 完全免费： KiCad EDA, DesignSpark PCB 是完全免费且功能强大的选项，没有功能或商业使用的限制（虽然某些情况下，开源软件的商业支持模式可能与付费软件不同）。它们功能足以应对绝大多数专业设计需求。
  • 提供免费版本但有限制： 一些商业软件提供功能受限的免费版本，例如Autodesk Eagle的免费版可能限制板层数（如最多双层）、板尺寸或布线区域。EasyEDA也提供免费版本，但高级功能可能需要付费。这种免费版适合初学者、学生或非常简单的项目。
• 商业软件： 价格差异巨大。
  • 入门级/标准版： 功能相对基础的商业软件或知名软件的基础版本，价格可能在每年几百到几千美元（订阅制）或买断几千到一万美元（永久授权）。
  • 专业级： 功能全面，支持复杂设计，是主流工程师使用的版本。价格通常在每年几千到一万多美元（订阅制）或买断一万到几万美元（永久授权）。Altium Designer, PADS等的主流版本通常在这个范围内。
  • 企业级/高端版： 功能最强大，包含高级仿真、企业集成、团队协作等，主要面向大型企业和最复杂的设计需求。价格非常昂贵，可能每年需要几万到数十万美元，通常按席位授权。Cadence Allegro的最高版本就属于此类。

需要注意的是，许多商业软件现在倾向于提供订阅授权模式，你需要按年或月支付费用才能持续使用和获得更新支持。永久授权虽然前期投入大，但购买后可以永久使用特定版本，后续更新和支持可能需要额外购买。

总的来说，对于个人爱好者或预算有限的团队，免费且强大的KiCad是一个非常好的起点。对于需要商业支持和更高级功能（特别是某些特定领域如RF、高速信号高级分析）的专业团队，则需要根据项目需求和预算选择合适的商业软件。

选择PCB设计软件时，有哪些重要的功能是值得关注的？

除了上面提到的基本功能（原理图、布局、布线、DRC、输出）外，在评估和选择PCB设计软件时，以下一些重要功能尤其值得关注：

• 强大的设计规则系统： 不仅能设置基本间距、线宽规则，还能设置高速规则（阻抗、长度匹配、差分对）、电源地规则、层转换规则等，且规则设置灵活、检查全面、报错清晰。
• 高效的交互式布线工具： 支持推挤（Push and Shove）、绕障（Hug and Push）、差分对布线、长度调整等高级交互式布线功能，极大地提高了复杂布线的效率和质量。
• 高级电源和地处理： 支持复杂的电源层分割、铜皮铺设（Polygon Pour）及其连接、热风焊盘（Thermal Relief）设置、电源网络的优化分析等。
• 高速信号/射频设计支持： 提供阻抗计算器、受控阻抗走线、长度匹配组（Length Tuning）、差分对布线模式、过孔模型仿真、回流路径检查等工具。射频设计可能还需要特殊的元器件形状、布局工具等。
• 灵活的层管理： 支持任意层数的定义和设置，包括信号层、电源层、地层、混合层等，以及不同层之间的过孔类型设置。
• 强大的库管理和创建工具： 能够轻松创建、编辑和管理自己的元器件库，支持导入第三方库，库信息（符号、封装、3D模型、参数）完整且易于关联。
• 集成或联动仿真功能： 能够方便地与SPICE等电路仿真器集成，或者直接在软件内进行部分电源/信号完整性分析。

• 3D可视化和机械协同： 提供逼真的板子和元器件3D视图，能够导入导出STEP等格式与机械设计软件进行数据交换，检查结构干涉。
• 变体管理 (Variant Management)： 如果你的产品有多种配置（如同一块板子，不同配置下某些元器件不贴或型号不同），软件是否支持方便地管理这些设计变体并生成对应的BOM和贴片文件。
• 团队协作和版本控制： 对于多人协同设计，软件是否支持项目共享、同时编辑（或锁定）、设计历史追踪和版本回退。
• 自动化和脚本支持： 支持脚本语言（如Python, C#）进行二次开发或自动化重复性任务，提高效率。
• 可定制性： 软件界面、快捷键、工具栏等是否可以根据个人习惯进行定制。

关注并评估这些功能，有助于你找到最符合你的当前和未来设计需求的PCB设计软件。