单片机硬件设计和PCB Layout参考

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电子说

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描述

GD32F30x 和 GD32F403 系列硬件为参考。

一. 硬件设计

1.电源

2.复位

注意：

1. 内部上拉电阻40kΩ，建议外部上拉电阻建议10kΩ，以使得电压干扰不会导致芯片工作异常；

2. 若考虑静电等影响，可在NRST管脚处放置ESD保护二极管；

3. 尽管MCU内部有硬件POR电路，仍推荐外部加NRST复位阻容电路；

4. 如果MCU启动异常（由于电压波动等），可适当增加NRST对地电容值，拉长MCU复位完成时间，避开上电异常时序区。

3.时钟

GD32F30x/GD32F403系列内部有完备的时钟系统，可以根据不同的应用场合，选择合适的时钟源，时钟主要特征：

4-32MHz外部高速晶体振荡器（HXTAL）；

8MHz内部高速RC振荡器（IRC8M）；

32.768KHz外部低速晶体振荡器（LXTAL）；

48 MHz内部高速RC振荡器（IRC48M）；

40kHz内部低速RC振荡器（IRC40K）；

PLL时钟源可选HXTAL、IRC8M或IRC48M；

HXTAL时钟可监控；

时钟树如下：

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4.启动配置

GD32F30x/GD32F403系列提供三种启动方式，可以通过BOOT0和BOOT1来进行相关的配置。

用户可以配置BOOT0和BOOT1，进行上电复位或系统复位，从而确定启动选项。电路设计时，运行用户程序，BOOT0不能悬空，建议通过一个10kΩ电阻到GND；运行System Memory进行程序更新，需要将BOOT0接高，BOOT1接低，更新完成后，再将BOOT0接低上电才能运行用户程序；SRAM执行程序多用于调试状态下。

嵌入式的 Bootloader 存放在系统存储空间，用于对 FLASH 存储器进行重新编程。在GD32F305xx/ GD32F307xx/ GD32F403xx设备中，Bootloader可以通过USART0 (PA9 and PA10)，USART1 (PD5 and PD6)，USBFS (PA9, PA11 and PA12)和外界交互。在GD32F303xx（Flash<512kB）设备中，Bootloader可以通过USART0 (PA9 and PA10) 和外界交互, 在GD32F303xx（Flash>512kB）设备中，Bootloader可以通过USART0 (PA9 and PA10) USART1 (PA2 and PA3)和外界交互。

5.下载调试

GD32F30x/GD32F403系列内核支持JTAG调试接口和SWD接口。JTAG接口标准为20针接口，其中5根信号接口，SWD接口标准为5针接口，其中2根信号接口。

注意：复位后，调试相关端口为输入PU/PD模式，其中：

PA15：JTDI为上拉模式；

PA14：JTCK / SWCLK为下拉模式；

PA13：JTMS / SWDIO为上拉模式；

PB4：NJTRST为上拉模式；

PB3：JTDO为浮空模式。

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有以下几种方式可以提高SWD下载调试通信的可靠性，增强下载调试的抗干扰能力。

1. 缩短SWD两个信号线长度，最好15cm以内；

2. 将SWD两根线和GND线编个麻花，缠在一起；

3. 在SWD两根信号线对地各并几十pF小电容；

4. SWD两根信号线任意IO串入100Ω~1KΩ电阻。

6.典型外设

ubs外设电路

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二. PCB Layout

1.电源去耦电容

GD32F30x/GD32F403系列电源有VDD、VDDA、VREF+和VBAT四个供电脚，100nF去耦电容采用陶瓷即可，且需要保证位置尽可能地靠近电源引脚。电源走线要尽量使得经过电容后再到达MCU电源引脚，建议可通过靠近电容PAD处打Via的形式Layout。

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2.时钟电路

GD32F30x/GD32F403系列时钟有HXTAL和LXTAL，要求时钟电路（包括晶体或晶振及电容等）靠近MCU时钟引脚放置，且尽量时钟走线由GND包裹起来。

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注意：

1. 晶体尽量靠近MCU时钟Pin，匹配电容等尽量靠近晶体；

2. 整个电路尽量与MCU在同层，走线尽量不要穿层；

3. 时钟电路PCB区域尽量禁空，不走任何与时钟无关走线；

4. 大功率、强干扰风险器件及高速走线尽量远离时钟晶体电路；

5. 时钟线进行包地处理，以起到屏蔽效果。

3.复位电路

注意：复位电路阻容等尽可能地靠近MCU NRST引脚，且NRST走线尽量远离强干扰风险器件及高速走线等，条件允许的话，最好将NRST走线做包地处理，以起到更好的屏蔽效果。

4.USB 电路

USB模块有DM、DP两根差分信号线，建议PCB走线要求做特性阻抗90ohm，差分走线严格按照等长等距规则来走，且尽量使走线最短，如果两条差分线不等长，可在终端用蛇形线补偿短线。

由于阻抗匹配考虑，串联匹配电阻建议50Ω左右即可。当USB终端接口离MCU较远的时候，需要适当增大该串联电阻值。

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注意：

1. 布局时摆放合理，以缩短差分走线距离；

2. 优先绘制差分线，一对差分线上尽量不要超过两对过孔，且需要对称放置；

3. 对称平行走线，保证两根线紧密耦合，避免90°、弧形或45°走线方式；

4. 差分走线上所接阻容、EMC等器件，或测试点，也要做到对称原则。

对于USB HS模块，MCU与外部HS PHY之间的数据线与信号控制线也尽量走短，需要用蛇形线做等长处理，注意事项如下：

1. 布局时摆放合理，USB HS-PHY芯片与MCU之间尽量紧凑；

2. 布线时，以信号线中最长的一根线长度为目标，将其他信号线通过蛇形走线补偿即可。

5.BGA 走线

GD32F403x 系列中包含 BGA100 的封装，对应的型号为 GD32F403VxH6，该芯片走线和其它 BGA 芯片类似，先对各个球型焊盘进行扇出，再进行布线操作。对于 0.5 mm Pitch 的 BGA封装，若将 BGA 焊盘大小设置为 0.25/0.35，过孔距焊盘以及线宽线距为 3 mil 时，可以使用Dog bone 型扇出，扇出后如图 3-5. BGA100 封装的扇出方式所示，过孔距焊盘距离为 4.5mil；但此种布线对 PCB 制造商工艺要求较高，需与 PCB 制造商沟通后再进行布线，若制造商工艺达不到要求，可对此 BGA 封装打盘中孔以及盲埋孔

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来源：嵌入式学习与实践

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审核编辑黄宇

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