[教學]透過 Kicad 介紹 PCB 設計流程與專有名詞 (上)

我認為能自己做 PCB 電路板真的很有趣，所以一直抱有很大的憧憬，但當時以為製作 PCB 的成本很高所以一直沒有去嘗試。現在其實軟體功能越來越方便，發包 PCB 代工製造的成本也越來越低，就算只是給單次互動案例使用的花費也是負擔得起的，PCB 不但能降低繁瑣的接線作業也大幅提升了電路的可靠度，整體來說可是非常划算。

設計 PCB 除了軟體的操作之外，還需要了解整個電路設計的流程，而不同階段有不同的專有名詞，我們先專注在介紹這些名詞的意思，且列出每次電路設計必經的完整步驟。本篇教學以免費開源的 Layout 軟體 Kicad 為例子。一般專業的 Layout 軟體功能更多更複雜，還整理收錄了各種廠商成千上萬個電子零件的資料庫，所以購買軟體的費用非常高昂，個人一般使用者負擔不起，Kicad 則打破了這個窘境，不但具備設計電路所需的核心功能，也有一組方便的共通零件庫供使用，非常適合未接觸過的新手馬上上手。如果大量使用之後要轉換成付費軟體，其實設計流程大同小異，只需要熟悉操作方式就好。接下來舊依照設計的流程介紹每個專有名詞。

準備零件與零件庫 Library

電阻、電容、電感、IC 晶片、連接器等等電子零件是構成電路的基本單位，在 Layout 軟體裡面同一個零件會有兩個面貌，Symbol 和 Footprint ，也有兩種各自的零件庫。我在建立專案時，會先找找通用零件庫，如果有缺少的零件再到網路搜尋下載或是自己建立。 

擺放 Symbol 電路符號

電路符號是用在繪製電路圖 Schematic 時使用，為電子零件的第一種面貌，為該零件外型簡化、扁平化、符號化的代表，目的是為了在電路圖上可以快速且明確的看清楚零件與線路的連結關係。需要注意在 Symbol 裡，電子零件的引腳要以 Datasheet 規格書上的標號定義為準，有時候可能為了整理讓拉線更簡潔，符號引腳標示的位置與實際腳位不同，而符號的形狀也可能跟零件外觀完全不同。

Kicad 裡有準備常用的電路符號可以馬上使用，使用前建議和零件的規格書對照一下腳位編號是否符合，另外若需要匯入或是建立自己的符號庫， Kicad 裡 Symbol 的零件庫是副檔名為 .lib 的檔案。

設計 Schematic 電路圖

電路圖可以說是電子設計的核心，繪製電路圖的同時就是在設計電路。電路圖完整的說明了這個專案裡面有什麼零件，並用上面提到的電路符號來清楚標示零件之間的連接關係。整個專案的電路圖可以切分為各種區塊，此時可以利用文字標示各個區塊分別是什麼功能。畫完電路圖會進行 Annotate 標號，將每個在電路圖上的零件做唯一的編號，之後所有的動作都會以這個標號來代表這個零件，Kicad 可以自動依據位置順序自動標號。

執行 Schematic DRC 自動檢查

DRC 為 Design Rule Check 的縮寫，可以自動檢查電路中有沒有違反設計規則，在畫電路時這個功能可以檢查出一些忘記接的腳位，但無法檢測出規則外的電路錯誤，之後 Layout 時也有 DRC 檢查。

Assign Footprints 指定實際腳座

Footprint 是電子零件預定要在電路板上焊接的腳座，通常在零件的規格書上會有提供建議的 Footprint 形狀可以照著畫，通孔（Through-hole）零件會 PCB 上鑽孔，讓零件的腳穿過電路板並焊接，所以需要留意孔位的大小形狀、間隔、與孔洞旁預留焊接裸銅面積，而相對的表面黏著（Surface-mount）零件則只需要配合腳位畫出裸銅形狀讓零件附著，需要注意的是同一個 Symbol 符號的零件可能有不同的包裝方式，所以也會有不同的 Footprint，Layout 軟體會使用 Symbol 符號上引腳的標號去對應 Footprint 相同標號的腳位，所以只要每個引腳標號一致，同一個 Symbol 可以順利的切換使用不同樣式的 Footprint。

Assign Footprint 這個動作會列舉出電路圖中所有的 Symbol 符號，然後我們要告訴軟體該零件實際是使用什麼樣子的焊接座 Footprint，例如同樣是 10K 的電阻，就可以選擇不同包裝如0805、0603、0402等不同規格的 Footprint ，Footprint 也有專屬的零件庫，在 Kicad 裡 Footprint 零件庫是副檔名為 .pretty 的檔案。

產生 Netlist

完成電路圖後，需要產生 Netlist 檔案，這個檔案是告訴 Layout 軟體零件的連接方式，如果在產生 Netlist 之後又更改了Schematic 電路圖，則需要重新產生一次，Netlist 在 kicad 是附檔名為 .net 的檔案。

目前已經簡介完 PCB 前半繪製電路圖 Schematic 的部分，之後會在下一篇介紹 Layout 的流程與專有名詞。