Kako dizajnirati PCB (da ga proizvođač neće odbaciti)

Ako ste ikada pogledali štampanu ploču i pomislili: "Da, to nikada ne bih mogao", možete.

Ne odmah. Ne savršeno iz prve. Ali apsolutno možete naučiti kako dizajnirati PCB koji radi, proizvodi se bez problema i ne pretvara se u sedmodnevnu noćnu moru otklanjanja grešaka.

I iskreno, najteži dio nije raspoređivanje komponenti ili provlačenje tragova. To je znati šta prvo uraditi, šta dvaput provjeriti i šta će vas kasnije izgristi ako to zanemarite.

Dakle, ovo je praktični vodič korak po korak. Na ovaj način bih objasnio prijatelju koji već ima shemu i sada želi da u svojim rukama drži stvarni štampani pločica.

Šta zapravo uključuje “dizajniranje štampane ploče”

Ljudi kažu “Dizajn štampane pločice”kao da je to jedan korak. To je više poput lanca.".

1. Definirajte zahtjeve i ograničenja
2. Kreirajte shemu (logički krug)
3. Dodijelite otiske stopa (fizičke pakete)
4. Kreirajte obrise ploče i mehanička ograničenja
5. Postavite komponente s namjerom
6. Trase ruta i avioni
7. Pokrenite provjere dizajna i električne provjere
8. Generirajte proizvodne datoteke
9. Neka ga izrade i sastave.
10. Testiraj, popravi, ponovi

Možete izvesti korake 2 do 8 u CAD alatu za tiskane pločice. Ostatak je, pa, stvarni život.

Korak 1: Počnite sa jasnim zahtjevima (ovo će vam kasnije uštedjeti)

Prije nego što otvorite KiCad, Altium ili bilo šta drugo što koristite, napišite jednostavnu kontrolnu listu.

• Šta odbor radi, u jednoj rečenici?
• Raspon ulaznog napona? Rizik od obrnute polariteta?
• Maksimalna struja na bilo kojem vodu?
• Koliko velika može biti ploča?
• Kako će se montirati? Viti, odstojnici, kopče?
• Koji konektori i kuda trebaju biti okrenuti?
• Neki osjetljivi signali? Visoka brzina, analogni, RF, niska buka?
• Okruženje. Toplina, vibracija, vlaga?
• Ciljani trošak i količina

Ovo djeluje dosadno, ali oblikuje sve. Na primjer, treba li vam dva ili četiri sloja. Mogu li vaši tragovi biti krupni i popustljivi ili zahtijevaju kontroliranu impedanciju.

Korak 2: Snimite šemu (i učinite je čitljivom)

PCB počinje kao šema. Čak i ako je vaš krug jednostavan, ipak ga napravite kako treba.

Nekoliko pravila koja zvuče dosadno, ali znatno olakšavaju otklanjanje grešaka:

• Koristite mrežne oznake umjesto dugih žica posvuda.
• Grupiraj po funkciji: napajanje, mikrokontroler, senzori, konektori
• Uključite kondenzatore za odvođenje napajanja pored pinova za napajanje IC-a i u shemu, a ne samo kasnije na PCB-u.
• Dodajte testne tačke sada. Kasnije ćete si biti zahvalni.
• Stavite vrijednosti i brojeve dijelova u polja, a ne u nasumične bilješke.

Također, nemojte se oslanjati na pamćenje za pinoute. Uvijek koristite podatkovni list prilikom ožičavanja simbola. Posebno za regulatore, USB i sve što ima više uzemljenja ili izložene padove.

Kratki test razuma prije nego što nastavimo dalje

Pitaj se:

• Imam li podizanja i spuštanja gdje je potrebno?
• Imam li otpornike za ograničavanje struje za LED diode?
• Jesam li uključio programerske ili debug glave ako je u pitanju ploča mikrokontrolera?
• Postoji li zaštita na ulazu napajanja? Barem osigurač ili poliusigurač, možda TVS dioda ako je vanjski konektor.

Korak 3: Odaberite komponente koje postoje u stvarnom životu

Ovdje mnoge prve ploče propadaju. U šemi svaki dio radi. U proizvodnji rade samo dijelovi s dobrim rasporedom pinova i dostupnošću.

Prilikom odabira dijelova, obratite pažnju na:

• Veličina paketa koju zaista možete lemiti (0603 je u redu, 0402 je naporna, QFN je izvodljivo, ali zahtijeva pažnju)
• Dostupnost lanca snabdijevanja. Pokušajte ne birati dijelove jednoroga.
• Napon i struja s maržom
• Za konektore provjerite mehanički crtež. Ne nagađajte.

Ako nešto gradite što biste možda kasnije ponovo naručili, odaberite dijelove iz dobro podržanih serija. Vaša buduća verzija bit će manje ljuta.

Korak 4: Tragovi. Mjesto gdje pogreške postaju skupe

Svaki simbolički simbol na šemi treba imati otisak koji odgovara tačnom fizičkom dijelu.

I ovo je dio u kojem početnici slučajno naruče deset podmetača sa bakrom.

Uradite ovo pažljivo:

• Uskladite broj klinova i razmak između klinova.
• Uskladite varijantu paketa (SOIC nije TSSOP, QFN dolazi u više veličina)
• Provjerite oznake polariteta za diode, elektrolitske kondenzatore i pin 1 integriranog kola.
• Provjerite otvore na dvorištu i maski za lemljenje ako ste napravili prilagođeni otisak.

Volim obaviti ovu jednostavnu provjeru.

Odštampajte PCB 1:1 na papiru i postavite stvarne komponente na njega. Posebno konektore.

Zvuči niskotehnološki. Radi.

Prije nego što prijeđete na sljedeći korak, ključno je izvršiti temeljitu Inspekcija PCB-a da se osigura da su svi otisci i postavke tačni.

Korak 5: Postavite obrise ploče i slojevski stek

Sada prelazite na raspored štampane pločice.

Počni sa:

• Oblik i dimenzije ploče
• Rupe za montažu i zabranjena područja
• Ograničenja pri postavljanju konektora (USB na rubu itd.)
• Odluka o broju slojeva

2 sloja naspram 4 sloja

Za većinu hobističkih i mnogih komercijalnih ploča, dva sloja je sasvim dovoljno.

Ali možda želite 4 sloja ako:

• Imate visokobrzinske signale (USB 2.0, brzi rubovi, DDR itd.)
• Potrebna vam je bolja referentna površina i manje buke.
• Ručite gusto postavljene komponente poput BGAs ili mnoštva sitno-razmaknutih QFP-ova.
• Želite da integritet napajanja bude jednostavniji.

Uobičajena četveroslojna hrpa je:

Gornji signal, Zemljana ploča, Napojna ploča, Donji signal.

Nije obavezno. Ali je lijep zadani izbor.

Korak 6: Postavite komponente kao da vam život ovisi o tome

Postavljanje nije dekoracija. To je električna izvedba, proizvodljivost i razumnost.

Evo praktičnog reda rasporeda koji funkcioniše:

1. Prvo stavite konektore i dijelove korisničkog sučelja (tipke, LED diode, zasloni)
2. Slijedi postavljanje ulaza napajanja i odjeljka za regulaciju napajanja.
3. Postavite glavni kontroler ili glavni IC.
4. Postavite pomoćne komponente oko njega (kristal, razdvajanje, boot otpornici)
5. Postavite funkcionalne blokove: senzore, pogone, operacijska pojačala itd.
6. Postavite testne bodove i programski priključak

Savjeti za postavljanje koji sprječavaju buku i čudnosti

• Sačuvaj razdvojni kondenzatori Izuzetno blizu IC napojnim pinovima. Ne “prilično blizu”. Već do njih.
• Držite analogne sekcije podalje od prekidačkih regulatora.
• Držite petlje velikih struja zbijenima. Kratke i široke staze, minimalna površina petlje.
• Držite kristale blizu MCU-a i vodite te tragove kratko, bez vias ako je moguće.
• Ostavite prostor za ruting. Ako je sve spakovano od ivice do ivice, ruting postaje zagonetka koju ćete izgubiti.

Također razmislite o sklapanju. Ako će ploču sastavljati tvornica, vole dosljednu orijentaciju i dovoljno razmaka za pick and place.

Korak 7: Definirajte pravila dizajna rano (razmak, širine, veličine via)

Vaš PCB alat treba znati ograničenja proizvodnje.

Tipična sigurna podrazumijeva vrijednosti za mnoge fabrike:

• Širina trake: 6 mil ili 8 mil za signale (šire je lakše)
• Debljina: 6 mil ili 8 mil
• Put bušenja: 0,3 mm s promjerom 0,6 mm (provjerite kod svog proizvođača)
• Proširenje maske za lemljenje: fabričko podrazumijevano je obično u redu

Ali nemojte nagađati. Koristite mogućnosti proizvođača. Svaka fab ima stranicu s mogućnostima. Ako idete na jeftine prototipove, budite konzervativni.

Širina traga za struju

Signalni vodovi mogu biti tanki. Napojni vodovi često trebaju biti širi.

Ako na tragu imate 1A ili više, nemojte ga pokretati na 6 mil i nadati se. Koristite a kalkulator širine traga ili ga samo napravi širokim i kratkim. ili ulij bakar.

Korak 8: Uputi ploču (i pokušaj je smiriti)

Routing je faza u kojoj ljudi ili postanu opsjednuti ili odustanu. Nije magija. To je skup prioriteta.

Predloženi redoslijed ruta

1. Prvo kritični signali
2. Linije sata, diferencijalni parovi, osjetljivi analogni čvorovi
3. Ručno usmjeravanje
4. Glavne šine, putevi velikih struja
5. Sve ostalo

Strategija na terenu

Ako imate dvije slojevine, čvrsta masa na jednoj strani je zlato. Na drugoj strani provucite signale što je više moguće, a zatim povežite masu pomoću via-puta.

Ako morate razdvojiti tlo, učinite to s namjerom. Većinu vremena početnici razdvajaju tlo kada to ne bi trebali. Kontinuirana ravan tla je obično bolja.

Nekoliko navika u rutiranju koje pomažu

• Izbjegavajte duge tanke tragove za napajanje.
• Koristite kutove od 45 stepeni ili lukove ako vaš alat to lako podržava. Ne zato što su kutovi od 90 stepeni loši pri malim brzinama, nego zato što tako rute izgledaju čišće.
• Minimizirajte vias na osjetljivim ili brzim signalima
• Imajte na umu povratne putanje. Signali trebaju povratnu strujnu putanju ispod sebe, obično u zemaljskoj ravnini.

Diferencijalni parovi (USB, itd.)

Ako imate USB D+ i D-, usmjerite kao diferencijalni par sa dosljednim razmakom i podudarnom dužinom, i koristite ispravnu impedanciju ako je vaš stackup podržava. Vaš CAD alat obično može izračunati širine na osnovu stackupa.

Ako ne znaš, to je u redu. Ali nemoj improvizirati i praviti da jedna zmija crta krugove po ploči dok druga ide ravno.

Korak 9: Dodajte ulijevanja bakra, termičko olakšanje i prošivne vijase

Bakreni prelivi mogu smanjiti impedanciju i pomoći pri upravljanju toplinom. Uobičajeni prelivi:

• Zemlju izlijte na vrh i dno (povezano na GND mrežu)
• Snaga se isporučuje za vodove visoke struje ako vam je potrebna.

Koristite termalno olakšanje za padove kroz rupu povezane s izlijevanjima. Inače ručno lemljenje postaje mučno, a čak i prerada je teža.

Dodajte šavne provodnike za povezivanje gornjeg i donjeg zemaljskog ulijevanja. Posebno oko perimetra, blizu konektora i blizu prekidačkih regulatora.

Korak 10: Sitotisak. Učinite ploču prijateljskom.

Sitotisak nije samo etikete. To je upotrebljivost.

Uključite:

• Referentni oznaka (R1, C5, U2) barem za ključne dijelove
• Polaritetne oznake za diode, elektrolitske kondenzatore i LED diode
• Postavite oznake 1 za IC-ove
• Oznake konektora. TX, RX, 5V, GND, itd.
• Naziv ploče, verzija, datum ili revizija

Ostavite sebi mrvice. Vratit ćete se na ovu ploču za nekoliko mjeseci i nećete se ničega sjećati.

Korak 11: Pokrenite provjere prije nego što išta izvezete.

Uradite ovo u svom CAD alatu:

• ERC na šemi (provjera električnih pravila)
• DRC na PCB-u (provjera pravila dizajna)
• Provjera nepovezanih mreža
• Kršenja propisa o slobodnom prometu
• Prstenasti prsten i provjere bušenja

Zatim izvršite ljudsku provjeru:

• Jesu li svi konektori okrenuti u pravom smjeru?
• Jesu li rupe za montažu ispravne?
• Postoje li neki komponente na rubu ploče koje će se sudariti s kućištem?
• Jesi li zamijenio TX i RX? To se dešava.
• Da li svi polarizirani dijelovi odgovaraju šemi i sitoštampi?

Ako možete, napravite 3D prikaz. Mnogi alati ga sada podržavaju i brzo otkrivaju glupe mehaničke probleme.

Korak 12: Generirajte proizvodne datoteke (Gerber, bušenja i bilješke)

Većina proizvođača PCB-a želi:

• Gerber datoteke (ili ponekad jedan Gerber paket zip)
• Bušne svrdla (Excellon)
• Obrisa ploče
• Readme ili bilješke o izradi (opcionalno, ali korisno)
• Za sklapanje: BOM i pick-and-place datoteka (centroid), plus crteži za sklapanje

Izvezite koristeći preporučena podešavanja vašeg fabrika ako nude unaprijed podešenu opciju.

Još jedna stvar. Jasno nazovi slojeve. I čuvaj verzije. “final final v7” je smiješno dok ne postane problematično.

Korak 13: Prototipirajte kao da očekujete probleme (jer će ih biti)

Prvo naručite malu seriju. Čak i ako je dizajn “jednostavan”.

Kada stignu ploče:

• Pregledajte pri dobrom osvjetljenju.
• Provjerite kratki spoj na vodilicama za napajanje prije nego što išta priključite.
• Pojačavajte napon polako, ako možete, pomoću napojne jedinice na klupi i ograničenja struje.
• Provjerite šine, zatim satove, zatim programiranje, zatim periferije

Ako nešto zakaže, ne paničarite. Greške na PCB-u sistematski otklanjajte. Većina ranih grešaka na PCB-u su:

• Pogrešan otisak ili pogrešno mapiranje PIN-a
• Fali povlačenje prema gore ili prema dolje
• Problemi sa redoslijedom uključivanja ili stabilnošću regulatora (pogrešni kondenzatori)
• Problemi s rasporedom oko prekidačkih regulatora
• Problemi sa uzemljenjem ili povratnim vodom
• Jednostavne greške u orijentaciji

To je normalno.

Jednostavan skup alata koji radi (ako birate softver)

• KiCad: besplatno, vrlo sposobno, sjajna zajednica
• EasyEDA: praktično ako želite brze oblačne radne procese
• Altium: industrijski standard, skup, moćan
• Autodesk Fusion elektronika: zavisi od vašeg radnog toka

Ako ste novi, KiCad je snažna polazna tačka i više nije igračka.

Uobičajene početničke greške koje je čudno lako izbjeći

Zaboravljanje odvojnih kondenzatora

Većina integrisanih kola zahtijeva 0,1 µF blizu svakog napojnog pin-a, plus veliki kondenzator u blizini (npr. 4,7 µF ili 10 µF). Pročitajte podatkovni list.

Povjeravanje nasumičnim tragovima

Otisci iz biblioteka su korisni, ali uvijek provjerite podatkovni list.

Postavljanje programskog zaglavlja na neko nemoguće mjesto

Ako trebate flashati firmware, ne skrivajte zaglavlje ispod ekrana niti ga postavljajte 1 mm od zida kućišta.

Nema testnih tačaka

Čak i samo padovi za GND, 3V3, 5V, RX, TX. To omogućava probanje.

Raspored prekidačkog regulatora “samo što je provučen”

Prelazni regulatori imaju smjernice za raspored iz razloga. Slijedite referentni raspored u tehničkom listu što je moguće preciznije.

Završna misao (i dio u kojem zapravo naručite izradu ploča)

Dizajniranje PCB-a je ciklus. Dizajniraš, gradiš, učiš, revidiraš. Druga ploča je uvijek čišća od prve.

Ako želite proizvodnog partnera koji može uzeti vaše Gerbers datoteke i pomoći vam da ih dovedete do kraja bez nagađanja, to je važno. Jako važno.

Tražite pouzdanog partnera za proizvodnju PCB-a?

Pošaljite svoje datoteke dizajna na Filifast Kontaktirajte nas danas i dobijte konkurentnu ponudu uz stručnu podršku.

Često postavljana pitanja

Koji su ključni koraci u dizajniranju PCB-a od šeme do gotove ploče?

Dizajniranje štampane pločice (PCB) obuhvata niz koraka: definiranje zahtjeva i ograničenja, izradu šeme, dodjelu otisaka komponenti, postavljanje kontura pločice i mehaničkih ograničenja, promišljeno postavljanje komponenti, usmjeravanje tragova i ravni, izvođenje provjera pravila dizajna i električnih provjera, generiranje proizvodnih datoteka, izradu i sklapanje pločice te na kraju testiranje i iteriranje po potrebi.

Zašto je važno započeti dizajn PCB-a sa jasnim zahtjevima?

Početak s jasnim zahtjevima pomaže oblikovati svaki aspekt vašeg dizajna štampane pločice. Poznavanje namjene pločice, raspona ulaznog napona, ograničenja struje, dimenzionalnih ograničenja, metoda montaže, potreba za konektorima, osjetljivih signala, uvjeta okoline, ciljanih troškova i količine osigurava da donosite informirane odluke poput broja slojeva (2 vs. 4), širine tragova, kontrole impedanse i izbora komponenti koje odgovaraju potrebama vašeg projekta.

Kako mogu učiniti da moja šema bude čitljivija i lakša za otklanjanje grešaka?

Za poboljšanje čitljivosti šeme: koristite oznake mreža umjesto dugih žica svugdje; grupirajte komponente po funkciji, poput napojnih sekcija ili senzora; postavite dekuplažne kondenzatore pored napojnih pinova integrisanih kola u šemi; dodajte testne tačke rano; uključite vrijednosti i brojeve dijelova u namijenjena polja umjesto u napomene; uvijek provjerite pinout u skladu s podacima iz kataloga, posebno za složene dijelove.

Šta trebam uzeti u obzir pri odabiru komponenti za moj PCB?

Odaberite komponente koje postoje u stvarnom životu s dostupnim otiscima i podrškom u lancu snabdijevanja. Obratite pažnju na veličinu pakovanja koje možete lemiti (0603 je upravljivo; manje veličine poput 0402 ili QFN zahtijevaju pažnju), nazivne napone/struje s rezervom, mehaničke crteže, posebno za konektore, i birajte dijelove iz dobro podržanih serija ako planirate buduće ponovne narudžbe. Izbjegavajte ‘jednoroge’ dijelove koje je teško nabaviti ili zamijeniti.

Kako mogu osigurati da se moji otisci ispravno podudaraju sa stvarnim fizičkim dijelovima?

Pažljivo uskladite broj pinova i razmak; provjerite varijante pakovanja (npr. SOIC naspram TSSOP); provjerite oznake polariteta na diodama ili elektrolitskim kondenzatorima; potvrdite dimenzije otvora i otvore maske za lemljenje, posebno kod prilagođenih rasporeda pinova. Praktičan savjet je da svoj raspored PCB-a odštampate 1:1 na papiru i fizički postavite stvarne komponente na njega kako biste prije nastavka provjerili da li odgovaraju.

Kada bih trebao odabrati četveroslojnu štampanu ploču umjesto dvoslojne?

Preporučuje se četveroslojna tiskanica ako imate visokobrzinske signale (poput USB 2.0 ili DDR), trebate bolju referentnu masu za smanjenje šuma, morate usmjeriti gusto postavljene komponente poput BGA ili integriteta s finim korakom, ili želite poboljšani integritet napajanja. Uobičajena četveroslojna konfiguracija uključuje gornji signalni sloj, masu, napajanje i donji signalni sloj, što zadovoljava ove potrebe u usporedbi s tipičnim dvostranim pločicama prikladnim za mnoge hobističke projekte.