简介
RP2040是树莓派的首款芯片，在定制硬件项目中非常受欢迎。虽然Raspberry Pi Pico 开发板非常适合原型设计，但许多项目需要定制外形尺寸、不同的I/O配置， 或针对量产的成本优化设计。
本指南提供了从零开始设计RP2040电路板所需的一切。我们将涵盖所需的最小电路、 解释每个设计决策，并提供JLCPCB兼容的元件编号，让您能够快速从原理图到组装好的电路板。
前提条件：本指南假设您对PCB设计工具（EasyEDA、KiCad或Altium） 有基本的了解，并熟悉去耦和信号布线等基本电子概念。
为什么选择RP2040设计？
优势
- +双ARM Cortex-M0+内核 @ 133MHz
- +264KB SRAM（比大多数Cortex-M0芯片更多）
- +可编程I/O（PIO）状态机
- +通过USB的UF2拖放式编程
- +低成本（批量约$0.70-1.00）
- +来自树莓派的优秀文档
注意事项
- !无内置闪存 - 需要外部QSPI
- !QFN-56封装需要仔细焊接
- !仅USB引导加载程序（无UART引导）
- !芯片下方单一GND焊盘 - 焊接至关重要
- !12位ADC（无DAC，4通道）
最小电路要求
与许多只需电源和几个电容就能运行的微控制器不同，RP2040对功能系统有特定要求：
必需元件
必需
- 1x RP2040微控制器
- 1x 外部QSPI闪存（2MB-16MB）
- 1x 12MHz晶振 + 2个负载电容
- 1x 3.3V稳压器
- 11x 100nF去耦电容
- 2x 1µF电容（VREG输入/输出）
用于USB编程
- 1x USB连接器（推荐Type-C）
- 2x 27Ω USB串联电阻
- 2x 5.1kΩ CC电阻（USB-C）
- 1x BOOTSEL按钮
- 1x 1kΩ BOOTSEL电阻
- 1x ESD保护（推荐）
系统框图
在深入每个子系统之前，这是所有部件如何连接的示意图：
电源设计
电源架构概述
RP2040需要两个电压轨才能工作：
- IOVDD（3.3V） - 为所有I/O、USB PHY和外设供电
- DVDD（1.1V） - 为数字核心（ARM内核、SRAM）供电
RP2040包含一个内部线性稳压器，可从3.3V电源产生1.1V。 这简化了外部电源设计 - 您只需提供3.3V。
内部1.1V稳压器
内部稳压器需要：
- VREG_VIN - 连接3.3V，配1µF电容
- VREG_VOUT - 连接到所有DVDD引脚，配1µF电容
电池应用：当内核休眠时，内置LDO效率较高，但对于高负载的电池应用， 请考虑使用外部开关式1.1V电源以获得更好的效率。
外部3.3V电源选项
对于USB供电设计，您需要将5V USB转换为3.3V：
| 稳压器 | 类型 | 电流 | JLCPCB | 备注 |
|---|---|---|---|---|
| XC6206P332MR | LDO | 200mA | C5446 | 推荐 - 基础元件 |
| AP2112K-3.3 | LDO | 600mA | C51118 | 热门选择（SparkFun、Adafruit） |
| ME6211C33 | LDO | 500mA | C82942 | 低压差（500mA时100mV） |
避免使用AMS1117：尽管很受欢迎，AMS1117具有高静态电流（约5mA）、 需要大电容，且低负载性能差。请改用XC6206或AP2112K。
去耦电容
适当的去耦对于RP2040的稳定性至关重要。芯片有多个电源引脚，每个都需要自己的电容：
| 引脚 | 数量 | 值 | 用途 |
|---|---|---|---|
| IOVDD（引脚1,10,22,33,42,49） | 6x | 100nF | I/O电源去耦 |
| DVDD（引脚23, 50） | 2x | 100nF | 核心电源去耦 |
| USB_VDD（引脚48） | 1x | 100nF | USB PHY电源 |
| ADC_AVDD（引脚43） | 1x | 100nF | ADC参考 |
| VREG_VIN（引脚44） | 1x | 1µF | 稳压器输入 |
| VREG_VOUT（引脚45） | 1x | 1µF | 稳压器输出 |
布局关键：RP2040只有一个接地连接 - 芯片中心的大焊盘。 所有去耦电容必须具有从电容→电源引脚→通过芯片→中心GND焊盘→返回电容的最短回路。 在电容正下方使用过孔连接到地平面。
晶体振荡器
虽然RP2040有内部振荡器，但准确的USB时序和稳定运行需要外部12MHz晶振。
晶振选择
晶振必须满足以下规格：
- 频率：12.000 MHz
- 负载电容：通常10-20pF
- ESR：推荐小于100Ω
- 频率容差：±30ppm或更好
推荐晶振
JLCPCB元件： C9002
12MHz，3225封装（3.2mm × 2.5mm），20pF负载电容，±10ppm。 这是JLCPCB基础元件，可保持较低的组装成本。
负载电容计算
负载电容（CL1和CL2）必须根据晶振的指定负载电容和PCB杂散电容计算：
C_load = (CL1 × CL2) / (CL1 + CL2) + C_stray
对于相等的电容（CL1 = CL2 = C）：
C = 2 × (C_load - C_stray)
以20pF负载电容和3pF杂散电容为例：
C = 2 × (20pF - 3pF) = 34pF
最接近的标准值：33pF或27pF常用负载电容值
| 晶振CL | 负载电容（每个） | JLCPCB元件 |
|---|---|---|
| 10pF | 15pF | C1644 |
| 12pF | 18pF | C1645 |
| 20pF | 33pF | C1663 |
晶振布局指南
- 将晶振尽可能靠近XIN/XOUT引脚（引脚20/21）
- 将负载电容紧邻晶振焊盘放置
- 将XIN/XOUT走线远离高速信号（特别是QSPI）
- 考虑在晶振周围放置接地保护环以增强抗噪性
- 将晶振放置在芯片上与QSPI闪存相对的一侧
QSPI闪存
RP2040没有内部闪存 - 所有程序代码都从外部QSPI闪存芯片运行。 这是一个必须谨慎选择和连接的关键元件。
闪存芯片选择
RP2040引导加载程序针对华邦W25Q系列闪存进行了优化。 虽然其他芯片可能工作，但华邦是最安全的选择：
| 型号 | 容量 | 封装 | JLCPCB | 备注 |
|---|---|---|---|---|
| W25Q16JVSNIQ | 2MB | SOIC-8 | C131024 | 最低推荐 |
| W25Q32JVSSIQ | 4MB | SOIC-8 | C179171 | 适合大型项目 |
| W25Q128JVSIQ | 16MB | SOIC-8 | C97521 | 最大支持 |
警告：旺宏和其他一些闪存芯片不能作为直接替代品使用。 请坚持使用华邦W25Q系列以确保兼容性。
闪存连接
| 闪存引脚 | RP2040引脚 | 功能 |
|---|---|---|
| 1 (/CS) | QSPI_SS（引脚57） | 片选 |
| 2 (DO/IO1) | QSPI_SD1（引脚53） | 数据输出 / IO1 |
| 3 (/WP/IO2) | QSPI_SD2（引脚54） | 写保护 / IO2 |
| 4 (GND) | GND | 地 |
| 5 (DI/IO0) | QSPI_SD0（引脚52） | 数据输入 / IO0 |
| 6 (CLK) | QSPI_SCLK（引脚56） | 时钟 |
| 7 (/HOLD/IO3) | QSPI_SD3（引脚55） | 保持 / IO3 |
| 8 (VCC) | 3.3V | 电源（配100nF电容） |
QSPI_SS上拉：从QSPI_SS到3.3V添加10kΩ上拉电阻。 这确保在上电期间闪存片选保持高电平，防止闪存进入未定义状态。
闪存布局指南
- 将闪存尽可能靠近RP2040 QSPI引脚
- 最大走线长度：20mm（越短越好）
- 推荐走线宽度：0.15mm（6 mil）
- 使时钟走线成为所有QSPI信号中最长的
- 在闪存VCC引脚直接添加100nF去耦电容
- 在闪存和走线下保持完整的地平面
USB接口
USB是RP2040的主要编程接口，支持便捷的UF2拖放固件上传。
USB-C连接器设计
对于现代设计，由于其可逆性和耐用性，推荐使用USB-C而不是Micro-USB。 主要连接：
| USB-C引脚 | 连接 | 备注 |
|---|---|---|
| VBUS (A4, B4, A9, B9) | 5V输入 | 连接到稳压器 |
| D+ (A6, B6) | RP2040 USB_DP（通过27Ω） | 将A6和B6连接在一起 |
| D- (A7, B7) | RP2040 USB_DM（通过27Ω） | 将A7和B7连接在一起 |
| CC1 (A5) | 5.1kΩ到GND | 设备检测 |
| CC2 (B5) | 5.1kΩ到GND | 设备检测 |
| GND (A1, A12, B1, B12) | 地 | 连接所有GND引脚 |
关键：CC1和CC2都必须有单独的5.1kΩ接地电阻。 切勿将CC1和CC2连接在一起 - 这违反了USB-C规范并导致检测问题。 （这是Raspberry Pi 4B发布时的bug。）
ESD保护
虽然不是严格必需的，但对于用户会接触的任何产品，强烈建议在USB线路上进行ESD保护：
推荐ESD保护
USBLC6-2SC6：用于D+/D-线路的TVS二极管阵列
JLCPCB元件：C7519
防护±15kV接触放电和±8kV空气放电。 低电容（典型0.5pF）保持信号完整性。
USB走线布局
USB是需要阻抗控制的差分信号：
- 目标阻抗：90Ω差分
- 走线宽度：0.8mm（对于1.6mm板厚）
- 走线间距：D+和D-之间0.15mm
- 27Ω串联电阻：靠近RP2040引脚放置
- 长度匹配：保持D+和D-等长
启动模式电路
RP2040使用基于ROM的引导加载程序，在上电时检查BOOTSEL状态。 理解启动序列对于设计可靠的编程接口至关重要。
BOOTSEL按钮设计
BOOTSEL功能使用QSPI_SS引脚。当在复位期间QSPI_SS保持低电平时， RP2040进入USB大容量存储模式进行固件上传：
QSPI_SS（引脚57）
|
+--- 10kΩ上拉到3.3V（可选但推荐）
|
+--- 1kΩ串联电阻 --- BOOTSEL按钮 --- GND
启动顺序：
1. 按住BOOTSEL按钮
2. 接通电源（或按住BOOTSEL的同时按RESET）
3. RP2040检测到QSPI_SS为低 → 进入USB启动模式
4. 释放按钮
5. 将UF2文件拖放到USB驱动器为什么需要1kΩ电阻？串联电阻在正常操作期间当QSPI_SS引脚 作为输出驱动时限制电流。没有它，在操作期间按下按钮会将输出短路到地。
复位电路
RUN引脚（引脚26）是RP2040的复位输入（低电平有效）：
RUN（引脚26）
|
+--- 10kΩ上拉到3.3V
|
+--- 100nF电容到GND（去抖/滤波）
|
+--- RESET按钮 --- GND
典型用法：
1. 上电：RUN被拉高，芯片启动
2. 按RESET：RUN被拉低，芯片复位
3. 释放：RUN恢复高电平，芯片重新启动
4. 进入BOOTSEL模式：按住BOOTSEL，按RESETGPIO引出
RP2040提供30个具有灵活外设映射的GPIO引脚。对于最小设计，考虑引出哪些GPIO：
| GPIO | 引脚 | 常用功能 |
|---|---|---|
| GPIO0-1 | 2, 3 | UART0 TX/RX, I2C0, SPI0 |
| GPIO2-5 | 4-7 | SPI0, I2C1, PWM |
| GPIO6-9 | 8-11 | SPI0, I2C0/1, PWM |
| GPIO10-13 | 12-15 | SPI1, I2C0/1, PWM |
| GPIO14-17 | 16-19 | SPI1, I2C0/1, PWM |
| GPIO18-21 | 24-27 | SPI0, I2C0/1, PWM |
| GPIO22-25 | 29-32 | PWM, PIO, LED（Pico上的GPIO25） |
| GPIO26-29 | 34-37 | ADC0-3, PWM |
提示：将GPIO0/GPIO1保留用于UART调试 - 它们是默认的UART0引脚， 在开发期间对于串口输出非常有用。
PCB布局指南
层叠结构
官方最小设计使用2层板，但为了更好的性能和更容易的布线，推荐使用4层：
2层（低成本）
- 层1：信号 + 元件
- 层2：地平面 + 电源走线
- 挑战：RP2040下方的电源分配
- 在剩余空间中走1.1V和3.3V
4层（推荐）
- 层1：信号 + 元件
- 层2：完整GND平面
- 层3：3.3V电源平面
- 层4：信号 + 1.1V走线
- 更好的去耦和EMI性能
地平面策略
RP2040的中心接地焊盘是整个芯片的唯一接地连接。 这使得地平面设计至关重要：
- 在接地焊盘下使用至少9个过孔进行热和电气连接
- 在RP2040正下方创建完整的地平面
- 通过过孔将所有去耦电容的地连接到这个平面
- 在QSPI走线下保持连续的地
- 在周围使用接地缝合过孔
关键信号布线
| 信号组 | 最大长度 | 走线宽度 | 备注 |
|---|---|---|---|
| QSPI（闪存） | 20mm | 0.15mm | CLK最长，下方完整GND |
| USB D+/D- | 50mm | 0.8mm | 差分对，0.15mm间距 |
| 晶振XIN/XOUT | 5mm | 0.2mm | 远离QSPI |
| 电源（3.3V、1.1V） | - | 0.3mm+ | 到去耦电容要短 |
物料清单
JLCPCB基础元件
使用JLCPCB基础元件可最大限度减少组装费用（每种扩展元件类型$3）。 尽可能使用基础元件：
完整BOM
| 参考 | 值 | 封装 | JLCPCB元件 | 类型 |
|---|---|---|---|---|
| 核心元件 | ||||
| U1 | RP2040 | QFN-56 | C2040 | 扩展 |
| U2 | W25Q16JVSNIQ | SOIC-8 | C131024 | 扩展 |
| U3 | XC6206P332MR | SOT-23 | C5446 | 基础 |
| Y1 | 12MHz | 3225 | C9002 | 基础 |
| 电容 | ||||
| C1-C10 | 100nF | 0402 | C1525 | 基础 |
| C11-C12 | 1µF | 0402 | C52923 | 基础 |
| C13-C14 | 27pF | 0402 | C1557 | 基础 |
| 电阻 | ||||
| R1-R2 | 27Ω | 0402 | C25100 | 基础 |
| R3-R4 | 5.1kΩ | 0402 | C25905 | 基础 |
| R5-R6 | 10kΩ | 0402 | C25744 | 基础 |
| R7 | 1kΩ | 0402 | C11702 | 基础 |
| 连接器 & 按钮 | ||||
| J1 | USB-C | 16引脚 | C2765186 | 扩展 |
| SW1-SW2 | 按钮 | 3x6mm | C318884 | 基础 |
预估成本：每板元件约$2-3（最少5片）， 加上约$5组装费 + 每种扩展元件类型约$3。
应避免的常见错误
1. 接地焊盘连接不良
中心焊盘是唯一的接地连接。如果没有足够的过孔连接正确焊接， 什么都不会工作。使用回流焊或热风返修以确保正确连接。
2. 使用错误的闪存芯片
使用非华邦闪存芯片通常会导致启动失败。请坚持使用W25Q系列。 如果使用不同的芯片，请确保它支持完全相同的命令集和上电时序。
3. 缺少QSPI_SS上拉
在上电期间，QSPI_SS可能会短暂浮空。没有上拉，闪存芯片可能进入未定义状态， 导致启动失败。
4. CC1/CC2连接在一起（USB-C）
每个CC引脚需要自己的5.1kΩ电阻。将它们连接在一起违反USB-C规范， 并导致间歇性检测问题。
5. 晶振离RP2040太远
长走线增加杂散电容，改变有效负载电容。 这会导致频率误差，破坏USB时序。
测试和调试
组装后，按照以下测试顺序进行：
- 目视检查：检查焊接桥接，特别是RP2040和USB连接器。 QFN-56封装容易产生桥接。
- 电源检查（无USB）：在连接USB之前测量3.3V和1.1V轨。 验证它们稳定且电压正确。
- BOOTSEL测试：按住BOOTSEL，连接USB。计算机应该显示 一个名为"RPI-RP2"的新USB驱动器。
- 闪存测试：将UF2文件（如Pico闪烁示例）拖到驱动器。 它应该消失，代码应该运行。
- UART测试：将USB-UART适配器连接到GPIO0/GPIO1， 验证串口输出是否工作。
电路板卡在BOOTSEL模式？这通常意味着闪存芯片没有响应 - 检查闪存连接、电源和芯片选择。引导加载程序只有在无法从闪存读取有效代码， 或在复位期间按住BOOTSEL时才会进入USB模式。
结论
设计定制RP2040电路板需要关注电源、闪存、晶振和USB电路的细节。 然而，凭借树莓派的优秀文档和不断壮大的开源设计社区， 这对于任何具有基本PCB设计经验的人来说都是可以实现的项目。
需要记住的关键点：
- 使用华邦W25Q系列闪存以确保兼容性
- 特别注意中心接地焊盘的连接
- 保持QSPI走线短，晶振靠近芯片
- 不要在去耦电容上省钱
- 包含BOOTSEL和RESET按钮以便于编程
下载树莓派官方的KiCad最小设计文件作为起点， 不要犹豫参考其他开源RP2040项目获取灵感。