核心要点
- -21% 的关键错误是缺失电源 - 务必验证每个 IC 都已连接电源
- -错误的封装是导致重新制板的最主要原因 - 对照数据手册逐一检查每个符号
- -布局前运行 ERC - 它能自动捕获 80% 的连接错误
- -每个 MCU 电源引脚都需要一个 100nF 去耦电容，距离在 3mm 以内
- -在每个外部连接器上添加 ESD 保护 - 成本很低但可以拯救整板
引言
每位有经验的工程师都有过因原理图错误而导致重新制板的经历 - 甚至更糟，错误流入了生产环节。根据行业数据，设计师仅在原理图阶段就可能犯下超过 100 种不同的错误，而21% 的关键设计错误与缺失电源有关。
好消息是什么？大多数原理图错误都遵循可预测的模式。学会识别这 25 个常见错误，你就能在它们变成昂贵问题之前将其捕获。 本指南涵盖了导致最多 PCB 故障的错误，按类别组织，并为每个错误提供具体示例和解决方案。
我们将涵盖电源错误、连接错误、元件问题、微控制器特定问题以及保护电路故障。对于每个错误，你将学习它的表现形式、发生原因以及预防方法。
第一部分：电源错误 (1-6)
电源错误是关键原理图错误中最常见的类别。 没有正确电源的电路根本无法工作 - 毫无疑问。这些错误经常被忽略，因为在复杂原理图中很容易被遗漏。
错误 1：缺失电源
问题描述
IC 或模块完全没有电源连接。这听起来很明显，但这是最常见的关键错误（占所有关键错误的 21%）。
为什么会发生：
- 电源引脚隐藏在单独的符号页上
- 假设电源在符号中是隐式的
- 多部分符号中电源在不同单元上
- 复制粘贴时电源网络未更新
如何发现：
- 运行 ERC - 查找"未连接电源引脚"警告
- 对照数据手册检查每个 IC - 计算电源引脚数量
- 验证每个元件的 VCC 和 GND 连接
预防措施：
创建一个电源审计表格，列出每个 IC 及其所需的电源轨。 在验证每个连接时逐一打勾确认。
错误 2：去耦电容值或位置错误
问题描述
去耦电容缺失、值错误或放置距离 IC 太远。 这会导致电压跌落、噪声和不稳定行为。
常见错误：
- 使用 10uF 而非 100nF（频率响应错误）
- 一个电容在多个 IC 之间共享
- 原理图上有电容但在 PCB 上距离 10mm 远
- 缺少用于瞬态电流需求的大容量电容
修复方法：
- 100nF 陶瓷电容：每个电源引脚一个，3mm 以内
- 10uF 陶瓷电容：每个 IC 一个，就近放置
- 100uF 大容量电容：每个板块一个
对于 STM32/ESP32：规则是 n x 100nF + 1 x 4.7uF，其中 n = VDD 引脚数量。
错误 3：电容极性反接
问题描述
电解电容或钽电容反向连接。这可能导致电容故障、漏电、过热，甚至爆炸。
为什么会发生：
- 原理图符号极性不清楚
- 不同的封装约定（+ 标记 vs - 标记）
- 输入和输出滤波混淆
预防措施：
- 尽可能使用陶瓷电容（无极性）
- 对于钽电容：额定电压必须比预期电压高 20%
- 在原理图上用 + 符号清楚标记极性
- 布局时仔细检查 - 封装条纹方向
错误 4：电压裕量不足
问题描述
线性稳压器输入电压与输出电压太接近，导致压降和输出电压不稳定。
示例：
使用 7805（5V 稳压器，2V 压差）配 6V 输入。输出电压将约为 4V - 而非 5V - 因为稳压器需要至少 7V 输入。
规则：
- 标准稳压器 (78xx)：输入 >= 输出 + 2V
- LDO 稳压器：输入 >= 输出 + 压差（查看数据手册）
- 考虑输入电压纹波和变化
错误 5：稳压器缺少输入/输出电容
问题描述
稳压器需要特定的输入和输出电容以保证稳定性。 缺少或值错误会导致振荡或稳压性能差。
99% 的稳压器问题都与电容有关 - 类型错误、值错误或位置错误。
常见错误：
- 数据手册规定要电解电容但只用了陶瓷电容（ESR 很重要）
- 输入电容对于输入阻抗来说太小
- 输出电容值超出稳定范围
预防措施：
始终完全遵循数据手册推荐值。特别是对于 LDO， 输出电容 ESR 影响稳定性 - 数据手册会指定可接受的范围。
错误 6：稳压器引脚定义错误
问题描述
相同封装的不同稳压器有不同的引脚定义。 使用错误的库符号会导致输入/输出互换。
经典案例：
78xx 正电压稳压器和 79xx 负电压稳压器看起来完全相同但引脚定义完全不同。 如果使用 7815 封装的 7915 会立即烧毁。
预防措施：
- 始终对照实际数据手册验证引脚定义
- 永远不要信任通用库符号
- 检查 BOM 上的料号与原理图符号匹配
第二部分：连接错误 (7-12)
连接错误会创建看起来正确但无法工作的电路。这些错误特别令人沮丧，因为它们通常能通过目视检查。
错误 7：数据线交换 (TX/RX, MISO/MOSI, SDA/SCL)
问题描述
通信信号交叉。UART 的 TX 和 RX 需要在设备间交换， 但 SPI 的 MISO/MOSI 不应交换（它们从主机角度命名）。
常见混淆：
- UART：设备 A 的 TX 连接到设备 B 的 RX（必须交叉）
- SPI：MOSI 连 MOSI，MISO 连 MISO（不交叉）
- I2C：SDA 连 SDA，SCL 连 SCL（不交叉）
- RS-485：A 连 A，B 连 B（但某些数据手册交换了 A/B 含义）
预防措施：
在首次原型的数据线上添加 0 欧姆电阻。如果信号交换了， 可以在电阻位置交叉它们而无需重新制板。
错误 8：未连接的网络
问题描述
看起来连接的导线实际上并未连接，或者网络标签不匹配。
常见原因：
- 导线端点不在网格上 - 看起来连接了但实际没有
- 网络标签拼写错误："VCC" vs "Vcc" vs "VCC_3V3"
- 四向连接点没有连接点标记
- 复制粘贴时网络名称未更新
检测方法：
- ERC 会标记未连接的引脚
- 网表审查会显示孤立的网络
- 点击每个网络标签并验证所有预期连接都被高亮
错误 9：同一网络上有多个输出
问题描述
两个输出引脚连接在一起 - 一个尝试驱动高电平，另一个驱动低电平， 导致冲突和可能的损坏。
18% 的关键错误涉及网络上的多个输出。
示例：
- 两个 MCU GPIO 引脚都配置为输出并在同一网络上
- 稳压器输出连接到另一个电源
- 两个逻辑门驱动同一信号
例外：开漏/开集电极输出可以共享一个网络（配上拉电阻）。
错误 10：缺失地连接
问题描述
带地引脚的元件未连接，或不同的地符号实际上并未连接在一起。
常见原因：
- 使用不同的地符号（GND、AGND、DGND）但未连接它们
- 假设地通过电源连接器是隐式的
- 多部分符号上缺少地
预防措施：
验证你的地符号都在同一个网络上。在 EasyEDA/KiCad 中，点击一个 GND 符号 - 如果它们连接了，所有地都应该被高亮。
错误 11：网络名称错误
问题描述
网络标签拼写错误或命名不一致会造成信号未连接。
示例：
- "ENABLE" vs "EN" vs "ENABLE_N"
- "SPI_CLK" vs "SPI_SCLK" vs "SCK"
- 下划线 vs 连字符："I2C_SDA" vs "I2C-SDA"
最佳实践：
在项目开始时建立网络命名约定。使用一致的前缀 (SPI_, I2C_, UART_) 和后缀 (_N 表示低电平有效信号)。
错误 12：浮空输入
问题描述
输入引脚未连接导致浮空到未定义状态，引起不稳定行为、 过大电流消耗或损坏。
不能浮空的引脚：
- CMOS 逻辑输入（浮空时会产生直通电流）
- 使能/禁用引脚
- MCU 配置引脚
- 比较器输入
修复方法：
每个输入都需要一个确定的状态。使用上拉或下拉电阻（通常 10k）。 对于未使用的 MCU 引脚，将其配置为输出或启用内部上拉。
第三部分：元件错误 (13-17)
元件错误是最昂贵的错误之一，因为它们通常需要重新制板才能修复。
错误 13：符号封装不匹配
问题描述
原理图符号正确，但关联的封装与实际元件不匹配。这是导致重新制板的最常见原因。
即使焊盘间距差 0.5mm 也会使元件无法焊接。
常见原因：
- 使用通用封装（0805 vs 0603）
- 符号和封装的 1 脚方向不同
- 公制和英制混淆（mm vs mils）
- 从数据手册错误部分获取焊盘尺寸
预防措施：
"仔细检查你的电路，三重检查新的库元件。" 始终对照实物元件或制造商数据手册验证封装。
错误 14：元件值不正确
问题描述
电阻、电容或其他元件值对于应用来说是错误的。
常见错误：
- 混淆 uF、nF、pF（104 = 100nF，而非 104uF）
- 复制粘贴时值错误
- 分压器计算错误
- LED 限流电阻错误（太亮或太暗）
示例：
对于 3.3V MCU，LED 正向电压 2V，期望电流 10mA：R = (3.3V - 2V) / 10mA = 130 欧姆。使用 1k 只会给出 1.3mA（LED 很暗）。
错误 15：元件规格不足
问题描述
元件的电压、电流或功率额定值低于电路需求。 可能导致过热、故障或起火。
经验法则：
- 电容电压：额定值比工作电压高 25-50%
- 电阻功率：计算 P = I 平方 x R，使用 2 倍安全裕量
- MOSFET 电流：检查连续漏极电流，而非峰值
- 电感电流：饱和电流必须超过峰值电流
故障示例：
一个 0402 电阻耗散 0.1W，而其额定值为 0.0625W 会过热并故障。
错误 16：过时或无货的元件
问题描述
使用生命周期终止、缺货或交货期极长的元件进行设计。
设计前检查：
- 元件生命周期状态（活跃、不推荐用于新设计、过时）
- 主要分销商的当前库存
- 大批量的交货期
- 第二供应商替代品
错误 17：引脚分配错误
问题描述
库符号引脚编号或名称与实际元件不匹配。
常见于：
- 多门 IC（每个门的引脚编号不同）
- FET（不同的 G/D/S 排列）
- 连接器（1 脚位置因制造商而异）
- 用户创建的库元件
预防措施：
打印原理图和数据手册并排对比。手动验证关键元件的每个引脚分配。
第四部分：微控制器错误 (18-21)
微控制器电路有特定的要求，很容易出错。 这些错误通常会导致间歇性或难以调试的问题。
错误 18：复位电路缺失或错误
问题描述
复位引脚浮空、上拉值错误或缺少噪声滤波，导致随机复位或启动失败。
常见错误：
- 100k 上拉太弱（噪声可能触发复位）
- 复位引脚缺少滤波电容
- 复位线路靠近噪声信号
- 上拉太强使编程器无法覆盖
推荐电路：
- 10k 上拉电阻到 VCC
- 100nF 电容从 RESET 到 GND
- 可选：外部复位 IC 用于干净的上电复位
错误 19：每个电源引脚缺少去耦
问题描述
对于有多个 VDD 引脚的 MCU 只使用一个去耦电容。每个电源引脚需要自己的本地去耦。
规则：
每个 VDD 引脚一个 100nF 陶瓷电容，放置在引脚 3mm 以内。 加上每个芯片一个 10uF 大容量电容。
为什么重要：
不同的 MCU 部分（内核、外设、ADC）从不同引脚汲取电流。 共享的去耦无法为每个部分提供本地能量存储。
错误 20：晶振电路错误
问题描述
负载电容值错误、缺少电容或走线过长会阻止振荡器启动。
常见错误：
- 负载电容值与晶振不匹配
- 对晶振使用陶瓷谐振器的值
- 长走线增加寄生电容
- 晶振下缺少地平面
负载电容计算：
CL_total = (C1 x C2) / (C1 + C2) + C_stray
其中 CL_total 应与晶振指定的负载电容匹配，C_stray 通常是 PCB 走线的 2-5pF。
错误 21：启动/配置引脚错误
问题描述
启动模式选择引脚浮空或设置为错误状态，导致 MCU 进入错误模式（引导程序而非正常运行）。
示例：
- STM32：BOOT0 必须为低电平才能从 flash 正常启动
- ESP32：GPIO0 启动时必须为高电平才能正常运行
- AVR：RESET 需要上拉才能正常运行
预防措施：
仔细阅读数据手册的"启动配置"部分。添加上拉/下拉电阻并配测试点以允许更改启动模式。
第五部分：保护与安全错误 (22-25)
缺少保护电路不会阻止你的板子工作 - 直到出现问题。然后它们会导致昂贵的故障。
错误 22：缺少 ESD 保护
问题描述
外部连接器没有 TVS 二极管或其他 ESD 保护。用户触摸或电缆连接可能损坏敏感 IC。
规则：
保护每个外部可访问的连接：USB、以太网、按钮、显示屏、卡槽、天线连接。
常见错误：
- TVS 二极管距离连接器太远（必须在入口点）
- 钳位电压高于 IC 绝对最大额定值
- 高速信号的 TVS 电容太高
- 单向 TVS 极性错误
错误 23：无反向极性保护
问题描述
电池或 DC 插孔反向连接会损坏整个板子。
保护选项：
- 串联二极管：简单但浪费 0.3-0.7V
- P-FET：低损耗（20-50mV），推荐用于电池设备
- 理想二极管控制器：最佳性能，成本较高
何时需要：
任何带有用户可更换电池或 DC 电源输入的产品，其中极性反转在物理上是可能的。
错误 24：缺少限流
问题描述
外部连接可能短路，汲取无限电流并损坏走线或元件。
添加限流：
- 电源输出上的可恢复保险丝 (PTC)
- 驱动外部设备的 GPIO 引脚上的串联电阻
- USB 主机端口的限流 IC
错误 25：无过压保护
问题描述
由于瞬态、错误的电源或电机/继电器的反向电动势，输入电压超过元件额定值。
保护方法：
- 电源输入上的 TVS 二极管（钳制瞬态）
- 输入保险丝（限制过压期间的电流）
- 撬棍电路（用于严重过压）
- 感性负载上的续流二极管
错误检测工具
电气规则检查 (ERC)
原理图编辑器的 ERC 是第一道防线。它会自动捕获：
- 未连接的引脚
- 同一网络上的多个输出
- 缺少电源连接
- 网络标签不匹配
每次编辑后都运行 ERC，而不只是在最后。
设计规则检查 (DRC)
DRC 在 PCB 布局上运行，但可捕获原理图问题，如：
- 未布线的网络（连接错误）
- 短路
- 封装与符号不匹配
原理图比较工具
像 Altium Designer 的原理图比较工具可显示版本之间的更改， 帮助捕获意外修改。
AI 驱动的审查 (Schemalyzer)
自动化原理图分析工具可以捕获 ERC 遗漏的错误，如 缺少去耦电容、元件值不正确和保护电路缺口。
快速参考检查表
在将原理图发送到布局前使用此检查表：
电源
- 每个 IC 都有电源和地连接
- 每个电源引脚 100nF 去耦
- 稳压器输入/输出电容按数据手册
- 电容极性正确
- 稳压器电压裕量充足
连接
- ERC 通过无错误
- 所有网络名称一致
- TX/RX、MISO/MOSI 连接已验证
- 无浮空输入（已添加上拉/下拉）
元件
- 封装已对照数据手册验证
- 元件额定值超过工作条件
- 元件有货且未过时
微控制器
- 复位电路带上拉和滤波电容
- 晶振负载电容正确计算
- 启动引脚设置为正确启动模式
保护
- 外部连接器上的 ESD 保护
- 电源输入上的反向极性保护
- 必要时的限流
结论
原理图错误是不可避免的 - 但重新制板不是。通过理解这 25 个常见错误， 你可以在设计阶段捕获它们，那时修复它们不需要任何成本。
核心要点：
- 持续运行 ERC - 它能捕获大多数连接错误
- 验证每个封装 - 错误的封装是重新制板的首要原因
- 检查每个电源引脚 - 缺失电源是最常见的关键错误
- 添加保护电路 - 它们成本很低但可以拯救板子
- 获得第二次审查 - 新鲜的眼睛会发现你遗漏的东西
为你的特定项目创建一个检查表并始终如一地使用它。花费几分钟审查可以节省数天的调试和数周的重新制板时间。
常见问题
原理图错误导致的 PCB 故障占多大比例？
研究表明，40-60% 的 PCB 问题源于原理图阶段。最常见的类别是 电源相关错误 (21%)、网络上的多个输出 (18%) 和封装不匹配。
即使设计看起来正确也应该运行 ERC 吗？
绝对应该。目视检查会遗漏 ERC 自动捕获的错误。 每次编辑后都运行 ERC，而不只是在最后。干净的 ERC 是布局前的第一个检查点。
MCU 需要多少个去耦电容？
每个 VDD/AVDD 引脚一个 100nF 陶瓷电容，放置在引脚 3mm 以内。 加上每个 MCU 一个 10uF 或 4.7uF 大容量电容。对于 STM32，规则是n x 100nF + 1 x 4.7uF，其中 n = 电源引脚数量。
内部连接器可以跳过 ESD 保护吗？
对于永远不会暴露于外部世界的连接器（内部板对板）， 通常可以跳过 ESD 保护。但任何可能被用户触摸、在组装期间暴露或连接到外部电缆的连接器都需要保护。
捕获封装错误的最佳方法是什么？
订购前：以 1:1 比例在纸上打印 PCB 布局，并将实际元件放在打印件上。 这种物理检查可以捕获大多数封装错误。 如果可用，也可使用 EDA 工具中的 3D 预览。