Krok 1 - Výběr správného nástroje EDA
Nástroje EDA, o kterých vím, že je používá mnoho lidí, jsou Altium Designer, Mentor PADS a Cadence (OrCAD a Allegro). Používal jsem také EAGLE, Protel a Lichuang EDA. Začátečníkům doporučuji Altium Designer. Pro ty, kteří se mohou stát profesionály, doporučuji Cadence.
Důležitou součástí výuky návrhu desek plošných spojů je naučit se software EDA. Jakmile se seznámíte se softwarem, zaměříte se na návrh obvodů a výrobní procesy. Později se můžete učit protokoly, firmware, vysokorychlostní signály nebo EMC. Pak je nástroj EDA pouze nástrojem, nikoli hlavním cílem.
Krok 2 - Dokončení schématu obvodu
Například schéma zapojení svítilny může vypadat jednoduše: dva držáky mincovních článků, jeden spínač, jeden rezistor omezující proud a jedna LED dioda. To tvoří velmi jednoduché schéma.
Pro složitější funkci, jako je například demonstrační deska pro čip SPI Ethernet KSZ8851SNL, může schéma vyžadovat desítky nebo stovky součástek a stovky sítí. Jak takové schéma nakreslit, je velké téma. Tento článek uvádí pouze přehled průběhu návrhu desky plošných spojů.
Krok 3 - Nakreslete otisky (balíčky komponent)
Před vložením součástek do schématu nakreslete otisk každé součástky. Po nakreslení otisků umístíte součástky do schématu jednu po druhé. Důvod, proč nejprve vytváříme footprinty, je ten, že když stejnou součást použijeme vícekrát, nemusíme ji pokaždé překreslovat. Pouze znovu použijeme uložený footprint. Tím si ušetříme spoustu opakované práce. Kdyby byly všechny footprinty sdílené, konstruktéři by tento krok vynechali.
V příkladu se svítilnou jsme použili čtyři typy dílů. Každá součást má ve schématu svůj symbol. Ke každému symbolu přidáme vývody a názvy. Tím je symbol součásti ve schématu dokončen a propojen s jejím otiskem. Pro běžné součástky, jako jsou rezistory, kondenzátory nebo induktory, poskytuje většina nástrojů EDA příklady symbolů a footprintů. Můžete je převzít z knihovny dodavatele a uložit do vlastní knihovny.
U vzácných součástek, jako jsou speciální integrované obvody nebo konektory, je často nutné otisk nakreslit ručně pomocí datového listu čipu. Pracoval jsem například s čipem Mechatrolink společnosti Yaskawa. Tento čip pochází pouze od společnosti Yaskawa a ta poskytuje pouze datasheet, nikoli footprinty pro každý nástroj EDA. Jeho 100 pinů jsem musel umístit jeden po druhém a přiřadit jim názvy a čísla.
U velkých čipů, jako je například ZYNQ XC7Z010-1CLG400I BGA se 400 vývody, je to velká práce. Museli byste umístit 400 pinů, přidat čísla a názvy. U velkých čipů výrobce obvykle poskytuje ke stažení soubory s vývody. Například společnost Xilinx poskytuje soubory vývodů Zynq-7000, které můžete importovat a vytvořit tak schematické symboly a otisky, aniž byste museli ručně zadávat 400 vývodů:
https://www.xilinx.com/support/package-pinout-files/zynq7000-pkgs.html
U mnoha běžných čipů můžete otisky najít také na internetu. Podívejte se na mou odpověď o tom, jak hledat a stahovat schémata čipů a otisky desek plošných spojů.
Krok 4 - Vytvoření projektu, stránek a částí umístění
Po vytvoření nebo importu otisků a symbolů vytvořte projekt a stránky. Umístěte všechny součásti do projektu DPS.
Krok 5 - Zapojení schématu (připojení dílů)
Zapojte jednotlivé vývody podle síťového seznamu. Tím se vytvoří logická spojení mezi součástmi.
Krok 6 - Export / import netlistu
Na schématu jsou uvedeny všechny vývody a jejich zapojení. Po dokončení schématu začněte s rozvržením desky plošných spojů. U PADS a Cadence mohou být nástroje pro schéma a PCB oddělené. Je třeba exportovat netlist z nástroje pro schéma a importovat jej do nástroje pro PCB. Altium integruje schéma a PCB, takže můžete přenést netlist jedním kliknutím. Formáty netlistů jsou běžně sdílené, takže mnoho nástrojů může exportovat a importovat mezi sebou. OrCAD a Allegro byly kdysi samostatné nástroje a později se sloučily pod Cadence.
Krok 7 - Nakreslete otisky plošných spojů
Stejně jako schématické symboly potřebuje každá součástka otisk na desce plošných spojů. Otisk plošného spoje je soubor podložek, silkscreenu a prostoru, který součástka zabírá na desce. Z obrázku čipu a jeho mechanického výkresu víte, jak nakreslit footprint. Podložky jsou obvykle o něco větší než vývody. Otvory pro pájecí masku jsou větší než podložky. Vrstva šablony odpovídá rozměrům podložek. U součástek s průchozími otvory můžete také potřebovat udržovací nebo negativní vrstvu pro vnitřní vrstvy.
Na sítotisku je obvykle vidět obrys dílu a značka pin-1. U běžných patic, jako je SO14, můžete kopírovat z existující knihovny.
Pokud se jedná o neobvyklou součást, použijte k nakreslení jejího půdorysu datový list.
Krok 8 - Nastavení základních parametrů PCB
Po importu netlistu nastavte základní parametry desky: tloušťku desky, počet vrstev a zásobník vrstev. Tyto tři položky jsou základní, ale ve výstupních souborech se obvykle zobrazuje pouze počet vrstev. Zásobník vrstev a tloušťka desky jsou obvykle výrobci sdělovány textově. Záleží na návrhu stacku: které vrstvy nesou signály, které jsou roviny a které kombinují roviny a stopy. U čtyřvrstvé desky jsou vrstvy 2 a 3 často GND a VCC, přičemž horní a spodní slouží pro vedení. U šestivrstvé desky můžete umístit GND na 2 a 5 a VCC na 3 nebo 4. U více než 8 vrstev jsou možnosti volby flexibilní.
Krok 9 - Nakreslete obrys desky
Definujte tvar desky a oblasti, kde se nesmí používat.
Krok 10 - Umístění dílů na desku plošných spojů
Jakmile jsou otisky připraveny, umístěte díly. Pokud je jeden otisk nejistý, protože ještě nemáte díl, umístěte nejprve ostatní díly a vraťte se k nim později.
Krok 11 - Nastavení průchodek, šířky stopy a výchozích vzdáleností
Nastavení výchozích velikostí, šířky stopy a rozestupů. Tyto výchozí hodnoty se použijí při směrování. Pro speciální sítě nebo výkonové sítě je dočasně upravte.
Krok 12 - Nastavení pokročilých pravidel
Pokud existují vysokorychlostní signály, nastavte pravidla pro omezení směrování. Pokročilá pravidla zahrnují šířku/rozteč diferenciálních párů, omezení shody délky, zúžení podložek a minimální vůle. Například signály DDR3 vyžadují shodné délky: adresové, hodinové a příkazové linky musí mít stejnou délku; datové linky a DQS potřebují vlastní shodu. Špatná kontrola délky může narušit časování DDR a vynutit si nižší rychlost. Další podrobnosti naleznete v těchto zdrojích o DDR:
- Princip fungování DDR a manipulace s DQS: www.elecfans.com/d/682335.html
- Diferenciální hodiny, DQS a DQM: www.cnblogs.com/edadoc/p/6387049.html
Některá pravidla mohou vyžadovat nejprve směrování, poté změny pravidel a přepracování tak, aby byla v souladu s pravidly.
Krok 13 - Trasování a kreslení polygonových výsypek (tvarů)
Trasování spojuje schematické sítě s měděnými stopami. Nejvíce času při návrhu DPS zabere směrování. Existují nástroje pro automatické směrování, ale u složitých desek je často nutné jejich výsledky důkladně vyčistit. Někteří odborníci mohou nastavit pravidla, aby se automatické směrování dobře používalo. Pro vysokoproudé sítě můžete použít široké stopy nebo měděné zálivky. Použijte rovinné zóny připojené k podložkám jako blokové sítě.
Trasování je třeba věnovat pozornost: šířka stopy, rozteč, úhly a směry. Tipy pro frézování se budu zabývat později.
Krok 14 - Úprava sítotisku
Upravte velikost, polohu a orientaci sítotisku tak, aby byla čísla dílů zřetelná pro montáž a testování. Výrobci často tisknou své logo nebo datový kód. Konstruktéři mohou zanechat vlastní poznámky.
Krok 15 - Export vrtných souborů a Gerberů (souborů s výkresy)
Po umístění, frézování a sítotisku můžete exportovat výrobní soubory. Někteří čínští dodavatelé přijímají soubory projektů přímo pro Altium. Pro PADS a Cadence musíte exportovat vrtací soubory a Gerbery. Pokud existují nekruhové otvory, exportujte také frézovací soubory pro frézy.
Krok 16 - Poskytnutí výrobních parametrů a procesních poznámek
Návrhové soubory nezachycují všechny parametry. Pro parametry a požadavky, které soubory nevyjadřují, je třeba zaslat textové pokyny. Možnosti, které je třeba zadat, naleznete v online domech desek. Některé deskové domy znám: JLCPCB, HQPCB, JietaiPCB, Xunjiexing, Xingsen, Lichuang atd. Níže jsou uvedeny snímky obrazovky s parametry JLCPCB - mnoho parametrů zde nemusí být vidět, ale jsou potřebné pro složité desky. Online prototypování obvykle pokrývá jednodušší potřeby.
Krok 17 - Nastavení impedance a stohování
U vysokorychlostních signálů zadejte cílovou charakteristickou impedanci. Při odesílání do továrny navrhněte uspořádání a vypočítejte šířku a rozteč linek pro cílovou impedanci. Při směrování použijte vypočtené hodnoty. Po směrování předejte výrobnímu závodu svůj stackup a cílovou impedanci. Továrna provede kontrolu pomocí svých materiálů a procesů a sdělí vám, zda jsou nutné úpravy a jaká je očekávaná chyba impedance. Poté můžete potvrdit, zda je cílová hodnota splnitelná. Pokud impedanci nejprve nevypočítáte a jen náhodně vyberete stackup a šířky, nemusí být továrna schopna splnit požadavky na impedanci i přeslechy.
Krok 18 - PCBA (montáž a pájení)
Poté, co dokončíte soubory PCB a továrna vyrobí desky, je dalším krokem PCBA. Pro hromadnou výrobu se používají linky SMT. Pro malé série nebo prototypy lze mnoho součástek (kromě BGA, velkých zemnicích podložek nebo velmi malých součástek 0201) pájet ručně. U malých sérií do 10 desek může být ruční pájení levnější a rychlejší než montáž na lince.
Pro montáž je nutné exportovat a odeslat:
- kusovník (BOM),
- Soubor Pick-and-place (souřadnice a orientace dílů),
- Vložit masku Gerber (z vrstvy pastemask).
Označte všechny díly a zašlete seznamy dílů a reference. Poté počkejte na dokončení PCBA.
Pomocí softwaru PCB EDA můžete na počítači poměrně snadno navrhovat obvody a vytvářet fotoplochy. Protože jsou však desky plošných spojů konstrukčně složité, skutečné kroky jsou stále poměrně podrobné. Tento článek vám neřekne, který obvod co dělá. Pouze ukazuje postup návrhu desek plošných spojů. Zahrnuje: kreslení otisků, kreslení schémat, rozvržení plošných spojů a export do Gerberu. Uvádí hrubý průběh a některé podrobnosti. Cílem je pomoci vám pochopit kroky návrhu DPS a sladit jednotlivé kroky návrhu se skutečným výrobním krokem.
Krok 1 - Výběr správného nástroje EDA
Nástroje EDA, o kterých vím, že je používá mnoho lidí, jsou Altium Designer, Mentor PADS a Cadence (OrCAD a Allegro). Používal jsem také EAGLE, Protel a Lichuang EDA. Začátečníkům doporučuji Altium Designer. Pro ty, kteří se mohou stát profesionály, doporučuji Cadence.
Důležitou součástí výuky návrhu desek plošných spojů je naučit se software EDA. Jakmile se seznámíte se softwarem, zaměříte se na návrh obvodů a výrobní procesy. Později se můžete učit protokoly, firmware, vysokorychlostní signály nebo EMC. Pak je nástroj EDA pouze nástrojem, nikoli hlavním cílem.
Krok 2 - Dokončení schématu obvodu
Například schéma zapojení svítilny může vypadat jednoduše: dva držáky mincovních článků, jeden spínač, jeden rezistor omezující proud a jedna LED dioda. To tvoří velmi jednoduché schéma.
Pro složitější funkci, jako je například demonstrační deska pro čip SPI Ethernet KSZ8851SNL, může schéma vyžadovat desítky nebo stovky součástek a stovky sítí. Jak takové schéma nakreslit, je velké téma. Tento článek uvádí pouze přehled průběhu návrhu desky plošných spojů.
Krok 3 - Nakreslete otisky (balíčky komponent)
Před vložením součástek do schématu nakreslete otisk každé součástky. Po nakreslení otisků umístíte součástky do schématu jednu po druhé. Důvod, proč nejprve vytváříme footprinty, je ten, že když stejnou součást použijeme vícekrát, nemusíme ji pokaždé překreslovat. Pouze znovu použijeme uložený footprint. Tím si ušetříme spoustu opakované práce. Kdyby byly všechny footprinty sdílené, konstruktéři by tento krok vynechali.
V příkladu se svítilnou jsme použili čtyři typy dílů. Každá součást má ve schématu svůj symbol. Ke každému symbolu přidáme vývody a názvy. Tím je symbol součásti ve schématu dokončen a propojen s jejím otiskem. Pro běžné součástky, jako jsou rezistory, kondenzátory nebo induktory, poskytuje většina nástrojů EDA příklady symbolů a footprintů. Můžete je převzít z knihovny dodavatele a uložit do vlastní knihovny.
U vzácných součástek, jako jsou speciální integrované obvody nebo konektory, je často nutné otisk nakreslit ručně pomocí datového listu čipu. Pracoval jsem například s čipem Mechatrolink společnosti Yaskawa. Tento čip pochází pouze od společnosti Yaskawa a ta poskytuje pouze datasheet, nikoli footprinty pro každý nástroj EDA. Jeho 100 pinů jsem musel umístit jeden po druhém a přiřadit jim názvy a čísla.
U velkých čipů, jako je například ZYNQ XC7Z010-1CLG400I BGA se 400 vývody, je to velká práce. Museli byste umístit 400 pinů, přidat čísla a názvy. U velkých čipů výrobce obvykle poskytuje ke stažení soubory s vývody. Například společnost Xilinx poskytuje soubory vývodů Zynq-7000, které můžete importovat a vytvořit tak schematické symboly a otisky, aniž byste museli ručně zadávat 400 vývodů:
https://www.xilinx.com/support/package-pinout-files/zynq7000-pkgs.html
U mnoha běžných čipů můžete otisky najít také na internetu. Podívejte se na mou odpověď o tom, jak hledat a stahovat schémata čipů a otisky desek plošných spojů.
Krok 4 - Vytvoření projektu, stránek a částí umístění
Po vytvoření nebo importu otisků a symbolů vytvořte projekt a stránky. Umístěte všechny součásti do projektu DPS.
Krok 5 - Zapojení schématu (připojení dílů)
Zapojte jednotlivé vývody podle síťového seznamu. Tím se vytvoří logická spojení mezi součástmi.
Krok 6 - Export / import netlistu
Na schématu jsou uvedeny všechny vývody a jejich zapojení. Po dokončení schématu začněte s rozvržením desky plošných spojů. U PADS a Cadence mohou být nástroje pro schéma a PCB oddělené. Je třeba exportovat netlist z nástroje pro schéma a importovat jej do nástroje pro PCB. Altium integruje schéma a PCB, takže můžete přenést netlist jedním kliknutím. Formáty netlistů jsou běžně sdílené, takže mnoho nástrojů může exportovat a importovat mezi sebou. OrCAD a Allegro byly kdysi samostatné nástroje a později se sloučily pod Cadence.
Krok 7 - Nakreslete otisky plošných spojů
Stejně jako schématické symboly potřebuje každá součástka otisk na desce plošných spojů. Otisk plošného spoje je soubor podložek, silkscreenu a prostoru, který součástka zabírá na desce. Z obrázku čipu a jeho mechanického výkresu víte, jak nakreslit footprint. Podložky jsou obvykle o něco větší než vývody. Otvory pro pájecí masku jsou větší než podložky. Vrstva šablony odpovídá rozměrům podložek. U součástek s průchozími otvory můžete také potřebovat udržovací nebo negativní vrstvu pro vnitřní vrstvy.
Na sítotisku je obvykle vidět obrys dílu a značka pin-1. U běžných patic, jako je SO14, můžete kopírovat z existující knihovny.
Pokud se jedná o neobvyklou součást, použijte k nakreslení jejího půdorysu datový list.
Krok 8 - Nastavení základních parametrů PCB
Po importu netlistu nastavte základní parametry desky: tloušťku desky, počet vrstev a zásobník vrstev. Tyto tři položky jsou základní, ale ve výstupních souborech se obvykle zobrazuje pouze počet vrstev. Zásobník vrstev a tloušťka desky jsou obvykle výrobci sdělovány textově. Záleží na návrhu stacku: které vrstvy nesou signály, které jsou roviny a které kombinují roviny a stopy. U čtyřvrstvé desky jsou vrstvy 2 a 3 často GND a VCC, přičemž horní a spodní slouží pro vedení. U šestivrstvé desky můžete umístit GND na 2 a 5 a VCC na 3 nebo 4. U více než 8 vrstev jsou možnosti volby flexibilní.
Krok 9 - Nakreslete obrys desky
Definujte tvar desky a oblasti, kde se nesmí používat.
Krok 10 - Umístění dílů na desku plošných spojů
Jakmile jsou otisky připraveny, umístěte díly. Pokud je jeden otisk nejistý, protože ještě nemáte díl, umístěte nejprve ostatní díly a vraťte se k nim později.
Krok 11 - Nastavení průchodek, šířky stopy a výchozích vzdáleností
Nastavení výchozích velikostí, šířky stopy a rozestupů. Tyto výchozí hodnoty se použijí při směrování. Pro speciální sítě nebo výkonové sítě je dočasně upravte.
Krok 12 - Nastavení pokročilých pravidel
Pokud existují vysokorychlostní signály, nastavte pravidla pro omezení směrování. Pokročilá pravidla zahrnují šířku/rozteč diferenciálních párů, omezení shody délky, zúžení podložek a minimální vůle. Například signály DDR3 vyžadují shodné délky: adresové, hodinové a příkazové linky musí mít stejnou délku; datové linky a DQS potřebují vlastní shodu. Špatná kontrola délky může narušit časování DDR a vynutit si nižší rychlost. Další podrobnosti naleznete v těchto zdrojích o DDR:
- Princip fungování DDR a manipulace s DQS: www.elecfans.com/d/682335.html
- Diferenciální hodiny, DQS a DQM: www.cnblogs.com/edadoc/p/6387049.html
Některá pravidla mohou vyžadovat nejprve směrování, poté změny pravidel a přepracování tak, aby byla v souladu s pravidly.
Krok 13 - Trasování a kreslení polygonových výsypek (tvarů)
Trasování spojuje schematické sítě s měděnými stopami. Nejvíce času při návrhu DPS zabere směrování. Existují nástroje pro automatické směrování, ale u složitých desek je často nutné jejich výsledky důkladně vyčistit. Někteří odborníci mohou nastavit pravidla, aby se automatické směrování dobře používalo. Pro vysokoproudé sítě můžete použít široké stopy nebo měděné zálivky. Použijte rovinné zóny připojené k podložkám jako blokové sítě.
Trasování je třeba věnovat pozornost: šířka stopy, rozteč, úhly a směry. Tipy pro frézování se budu zabývat později.
Krok 14 - Úprava sítotisku
Upravte velikost, polohu a orientaci sítotisku tak, aby byla čísla dílů zřetelná pro montáž a testování. Výrobci často tisknou své logo nebo datový kód. Konstruktéři mohou zanechat vlastní poznámky.
Krok 15 - Export vrtných souborů a Gerberů (souborů s výkresy)
Po umístění, frézování a sítotisku můžete exportovat výrobní soubory. Někteří čínští dodavatelé přijímají soubory projektů přímo pro Altium. Pro PADS a Cadence musíte exportovat vrtací soubory a Gerbery. Pokud existují nekruhové otvory, exportujte také frézovací soubory pro frézy.
Krok 16 - Poskytnutí výrobních parametrů a procesních poznámek
Návrhové soubory nezachycují všechny parametry. Pro parametry a požadavky, které nelze vyjádřit v návrhových souborech, je třeba zaslat textové pokyny. Možnosti, které je třeba zadat, najdete na stránkách pro online objednávání na adrese Philifast (https://flj-pcb.com/).
Níže jsou uvedeny snímky obrazovky s příkladem parametrů. U složitých desek mohou být vyžadovány další parametry nad rámec zobrazených. Online prototypování DPS obvykle pokrývá jednodušší požadavky.
Krok 17 - Nastavení impedance a stohování
U vysokorychlostních signálů zadejte cílovou charakteristickou impedanci. Při odesílání do továrny navrhněte uspořádání a vypočítejte šířku a rozteč linek pro cílovou impedanci. Při směrování použijte vypočtené hodnoty. Po směrování předejte výrobnímu závodu svůj stackup a cílovou impedanci. Továrna provede kontrolu pomocí svých materiálů a procesů a sdělí vám, zda jsou nutné úpravy a jaká je očekávaná chyba impedance. Poté můžete potvrdit, zda je cílová hodnota splnitelná. Pokud impedanci nejprve nevypočítáte a jen náhodně vyberete stackup a šířky, nemusí být továrna schopna splnit požadavky na impedanci i přeslechy.
Krok 18 - PCBA (montáž a pájení)
Poté, co dokončíte soubory PCB a továrna vyrobí desky, je dalším krokem PCBA. Pro hromadnou výrobu se používají linky SMT. Pro malé série nebo prototypy lze mnoho součástek (kromě BGA, velkých zemnicích podložek nebo velmi malých součástek 0201) pájet ručně. U malých sérií do 10 desek může být ruční pájení levnější a rychlejší než montáž na lince.
Pro montáž je nutné exportovat a odeslat:
- kusovník (BOM),
- Soubor Pick-and-place (souřadnice a orientace dílů),
- Vložit masku Gerber (z vrstvy pastemask).
Označte všechny díly a zašlete seznamy dílů a reference. Poté počkejte na dokončení PCBA.
