Jak navrhnout desku plošných spojů (aby ji výrobce neodmítl)

Pokud jste se někdy podívali na desku plošných spojů a řekli si, že tohle bych nikdy nedokázal. Můžete.

Ne okamžitě. Ne dokonale hned napoprvé. Ale rozhodně se můžete naučit, jak navrhnout desku plošných spojů, která bude fungovat, bude vyrobena bez problémů a nezmění se v týdenní noční můru při ladění.

A upřímně řečeno, nejtěžší není umisťování dílů ani trasování stop. Je to vědět, co udělat jako první, co překontrolovat a co vás později kousne, když to budete ignorovat.

Toto je praktický návod. Tak, jak bych to vysvětlil kamarádovi, který má hotové schéma a teď chce mít v ruce skutečnou desku.

Co vlastně zahrnuje “navrhování desky s plošnými spoji”?

Lidé říkají “Návrh desek plošných spojů” jako by to byl jeden krok. Je to spíše řetězec.

1. Definice požadavků a omezení
2. Vytvoření schématu (logického obvodu)
3. Přiřazení otisků (fyzických balíčků)
4. Vytvoření obrysu desky a mechanických omezení
5. Umístění komponent se záměrem
6. Trasy a letadla
7. Provádění kontrol pravidel návrhu a elektrických kontrol
8. Generování výrobních souborů
9. Nechte si jej vyrobit a smontovat
10. Test, oprava, opakování

Kroky 2 až 8 můžete provést v nástroji PCB CAD. Zbytek je, no. Skutečný život.

Krok 1: Začněte s jasnými požadavky (později vám to ušetří práci)

Než otevřete KiCad, Altium nebo cokoli jiného, co používáte, napište si jednoduchý kontrolní seznam.

• Co dělá rada, jednou větou?
• Rozsah vstupního napětí? Riziko přepólování?
• Maximální proud na libovolné kolejnici?
• Jak velká může být deska?
• Jak se bude montovat? Šrouby, stojánky, svorky?
• Jakým konektorům a kde je třeba čelit?
• Nějaké citlivé signály? Vysokorychlostní, analogové, RF, nízký šum?
• Životní prostředí. Teplo, vibrace, vlhkost?
• Cílové náklady a množství

Zdá se to nudné, ale všechno to utváří. Třeba. Ať už potřebujete 2 nebo 4 vrstvy. Zda mohou být vaše stopy hrubé a šetrné, nebo zda potřebujete řízenou impedanci.

Krok 2: Zachycení schématu (a jeho čitelnost)

DPS začíná jako schéma. I když je váš obvod jednoduchý, udělejte ho správně.

Několik pravidel, která zní otravně, ale usnadňují ladění:

• Všude používejte síťové štítky místo dlouhých drátů
• Seskupení podle funkce: napájení, MCU, senzory, konektory
• Oddělovací kondenzátory umístěte také vedle napájecích vývodů integrovaného obvodu ve schématu, nejen později na desce plošných spojů.
• Přidejte nyní testovací body. Později si poděkujete
• Hodnoty a čísla dílů vkládejte do polí, ne do náhodných poznámek.

Také se nespoléhejte na to, že si pamatujete vývody. Při zapojování symbolů se vždy řiďte datasheetem. Zejména u regulátorů a USB a všeho, co má více zemnících nebo exponovaných bloků.

Rychlý průchod zdravým rozumem před pokračováním

Zeptejte se sami sebe:

• Mám v případě potřeby pullupy a pulldowny?
• Mám pro LED diody rezistory omezující proud?
• Zahrnul jsem programovací nebo ladicí hlavičky, pokud se jedná o desku s mikrokontrolérem?
• Je na vstupu napájení ochrana? Minimálně pojistka nebo polyfúzní pojistka, možná TVS dioda, pokud je to externí konektor.

Krok 3: Vyberte komponenty, které existují v reálném životě

Na tomto místě umírá mnoho prvních desek. Ve schématu funguje jakákoli součástka. Ve výrobě fungují pouze díly s dobrými rozměry a dostupností.

Při výběru dílů sledujte:

• Velikost pouzdra, které můžete skutečně pájet (0603 je v pořádku, 0402 je nepříjemné, QFN je proveditelné, ale vyžaduje péči).
• Dostupnost dodavatelského řetězce. Snažte se nevybírat jednorožčí díly
• Jmenovité hodnoty napětí a proudu s rezervou
• Informace o konektorech naleznete na mechanickém výkresu. Neodhadujte

Pokud stavíte něco, co byste mohli později doobjednat, vybírejte díly z dobře podporovaných řad. Vaše budoucí já se bude méně zlobit.

Krok 4: Otisky. Místo, kde se chyby prodraží

Každý schematický symbol potřebuje otisk, který přesně odpovídá fyzické součásti.

A právě v této části si začátečníci omylem objednají deset měděných podtácků.

Postupujte opatrně:

• Shodný počet pinů a vzdálenost mezi nimi
• Odpovídající varianta balení (SOIC není TSSOP, QFN se dodává ve více velikostech).
• Zkontrolujte značky polarity diod, elektrolytů, vývodu IC 1.
• Ověření otvorů pro nádvoří a pájecí masku, pokud jste vytvořili vlastní otisk.

Rád provádím tuto jednoduchou kontrolu

Vytiskněte plošný spoj 1:1 na papír a umístěte na něj skutečné součástky. Zejména konektory.

Zní to jako low tech. Funguje to.

Než přejdete k dalšímu kroku, je nutné provést důkladnou analýzu. Kontrola desek plošných spojů abyste se ujistili, že všechny otisky a umístění jsou přesné.

Krok 5: Nastavení obrysu desky a zásobníku vrstev

Nyní přejděte k rozvržení desky plošných spojů.

Začněte s:

• Tvar a rozměry desky
• Montážní otvory a ochranné prostory
• Omezení umístění konektorů (USB na okraji atd.)
• Rozhodnutí o počtu vrstev

2 vrstvy vs 4 vrstvy

Pro většinu hobby a mnoho komerčních desek jsou 2 vrstvy v pořádku.

Možná však budete chtít 4 vrstvy, pokud:

• Máte vysokorychlostní signály (USB 2.0, rychlé hrany, DDR atd.)
• Potřebujete lepší referenci země a méně šumu
• Frézujete husté součástky, jako jsou BGA nebo spousta dílů s jemnou roztečí.
• Chcete, aby integrita napájení byla jednodušší

Běžný čtyřvrstvý zásobník je:

Horní signál, zemnící rovina, napájecí rovina, spodní signál.

Není povinné. Ale je to pěkné výchozí nastavení.

Krok 6: Umístěte komponenty tak, jak to myslíte vážně

Umístění není dekorace. Je to elektrický výkon, vyrobitelnost a rozumnost.

Zde je praktické pořadí umístění, které funguje:

1. Nejdříve umístěte konektory a části uživatelského rozhraní (tlačítka, LED diody, displeje).
2. Umístěte část o příkonu a regulaci výkonu vedle
3. Umístěte hlavní řídicí jednotku nebo hlavní IC
4. Umístěte kolem něj podpůrné díly (krystal, oddělovací, zaváděcí odpory).
5. Umístění funkčních bloků: senzory, ovladače, operační zesilovače atd.
6. Umístění testovacích bodů a programovací hlavičky

Tipy pro umístění, které zabraňují hluku a podivnostem

• Udržujte oddělovací kondenzátory velmi blízko napájecích pinů integrovaného obvodu. Ne “tak trochu blízko”. Třeba hned vedle něj.
• Udržujte analogové sekce mimo spínací regulátory
• Udržujte silnoproudé smyčky těsné. Krátké a široké stopy, minimální plocha smyčky
• Udržujte krystaly blízko MCU a vedete tyto stopy krátce, pokud možno bez průchodek.
• Ponechte si prostor pro směrování. Pokud je vše nacpané od kraje ke kraji, stává se frézování rébusem, který ztratíte.

A také přemýšlejte o montáži. Pokud se deska bude montovat v továrně, je důležité, aby byla orientovaná a měla dostatečnou vůli pro výběr a umístění.

Krok 7: Včasné stanovení pravidel pro navrhování (vůle, šířky, velikosti)

Váš nástroj pro výrobu desek plošných spojů musí znát výrobní limity.

Typické bezpečné výchozí hodnoty pro mnoho továren:

• Šířka stopy: 6 mil nebo 8 mil pro signály (širší je jednodušší)
• Světlá výška: 6 mil nebo 8 mil
• Vrták: 0,3 mm s průměrem 0,6 mm (zkontrolujte si svou továrnu)
• Rozšíření pájecí masky: výchozí nastavení fab je obvykle v pořádku

Ale nehádejte. Využijte možností výrobce. Každá továrna má stránku s možnostmi. Pokud se chystáte vyrábět levné prototypy, buďte konzervativní.

Šířka stopy pro proud

Signály mohou být tenké. Výkonové stopy by často měly být širší.

Pokud máte na stopě 1A nebo více, neprovozujte ji na 6 mil a doufejte. Použijte kalkulačka šířky stopy nebo ji prostě udělejte širokou a krátkou. Nebo nalijte měď.

Krok 8: Směrování tabule (a snaha o zachování klidu)

Směrování je oblast, kterou jsou lidé buď posedlí, nebo to vzdají. Není to magie. Je to soubor priorit.

Navrhované pořadí tras

1. Nejprve kritické signály
2. Hodinové linky, diferenciální páry, citlivé analogové uzly
3. Směrování napájení
4. Hlavní kolejnice, silnoproudé dráhy
5. Vše ostatní

Pozemní strategie

Pokud máte 2 vrstvy, je pevná zemnící rovina na jedné straně zlatá. Signály směrujte co nejvíce na druhou stranu a pak uzemněte pomocí průchodek.

Pokud musíte rozdělit půdu, udělejte to s rozmyslem. Začátečníci většinou rozdělují půdu, i když by neměli. Souvislá zemní rovina je obvykle lepší.

Několik návyků pro směrování, které pomáhají

• Vyhněte se dlouhým tenkým stopám pro napájení
• Pokud to váš nástroj snadno zvládne, použijte 45stupňové rohy nebo oblouky. Ne proto, že by 90stupňové rohy byly při nízkých rychlostech špatné, ale proto, že jsou čistší.
• Minimalizace průchodek u citlivých nebo rychlých signálů
• Mějte na paměti zpáteční cesty. Signály potřebují pod sebou zpětnou proudovou cestu, obvykle v zemní rovině.

Diferenciální páry (USB atd.)

Pokud máte USB D+ a D-, směrujte je jako diferenciální pár s konzistentní roztečí a shodnou délkou., a použijte správnou impedanci, pokud ji vaše sestava podporuje. Váš nástroj CAD obvykle dokáže vypočítat šířku na základě stackupu.

Pokud nevíte, nevadí. Ale nedělejte freestyle a nedělejte z jedné stopy hada kolem desky, zatímco druhá jde rovně.

Krok 9: Přidání měděných zálivek, tepelného odlehčení a prošití průchodek

Měděné náplně mohou snížit impedanci a pomoci s teplem. Běžné zálivky:

• Uzemnění nahoře a dole (připojeno k síti GND)
• Napájecí lišty pro vysokoproudé lišty, pokud potřebujete

Pro průchozí podložky připojené k nálevům použijte tepelné odlehčení. Jinak se ruční pájení stává nešťastným a i přepracování je obtížnější.

Přidejte prošívací průchodky pro spojení horního a spodního zemnícího pole. Zejména po obvodu, v blízkosti konektorů a v blízkosti spínacích regulátorů.

Krok 10: Sítotisk. Udělejte desku přátelskou

Sítotisk nejsou jen etikety. Je to použitelnost.

Zahrnuje:

• Referenční označení (R1, C5, U2) alespoň pro klíčové díly.
• Značky polarity pro diody, elektrolytika, LED diody
• Značky pinů 1 pro integrované obvody
• Štítky konektorů. TX, RX, 5V, GND atd.
• Název desky, verze, datum nebo revize

Nechte si drobky. Po měsících se na tuto nástěnku vrátíte a nebudete si nic pamatovat.

Krok 11: Proveďte kontrolu před exportem čehokoli

Proveďte je v nástroji CAD:

• ERC na schématu (kontrola elektrických pravidel)
• DRC na PCB (kontrola pravidel návrhu)
• Kontrola nepřipojených sítí
• Porušení při odbavení
• Kontroly kroužků a vrtáků

Poté proveďte lidskou kontrolu:

• Jsou všechny konektory nasměrovány správným směrem?
• Jsou montážní otvory správné?
• Jsou na okraji desky nějaké komponenty, které budou kolidovat s krytem?
• Vyměnili jste TX a RX. Stává se to
• Odpovídají všechny polarizované díly schématu a sítotisku?

Pokud můžete, proveďte 3D zobrazení. Mnoho nástrojů ho dnes podporuje a rychle zachytí hloupé mechanické problémy.

Krok 12: Generování výrobních souborů (Gerbery, vrtáky a poznámky)

Většina výrobců desek plošných spojů chce:

• Soubory Gerber (nebo někdy jeden balíček Gerber zip)
• Soubory pro vrtání (Excellon)
• Osnova představenstva
• Readme nebo poznámky k výrobě (nepovinné, ale užitečné)
• Pro montáž: Soubor kusovníku a soubor pick and place (centroid) a montážní výkresy.

Exportovat pomocí doporučených nastavení fab, pokud poskytují předvolbu.

Ještě jedna věc. Jasně pojmenujte své vrstvy. A udržujte verze. “final final v7” je vtipné, dokud není.

Krok 13: Vytvořte prototyp tak, abyste očekávali problémy (protože nějaké nastanou).

Nejprve si objednejte malou dávku. I když je design “jednoduchý”.

Kdy dorazí desky:

• Kontrola při dobrém světle
• Před zapojením zkontrolujte, zda na napájecích lištách nedošlo ke zkratu.
• Pomalé zvyšování výkonu, pokud můžete, pomocí stolního zdroje a proudového omezení.
• Validace kolejnic, pak hodin, pak programování, pak periferií

Pokud něco selže, nepanikařte. Systematicky odstraňujte chyby. Většina prvních chyb na deskách plošných spojů je:

• Špatný otisk nebo špatné mapování pinů
• Chybějící pullup nebo pull down
• Problémy se sekvencí napájení nebo stabilitou regulátoru (špatné krytky)
• Problémy s uspořádáním spínacích regulátorů
• Problémy s uzemněním nebo zpětnou cestou
• Jednoduché chyby orientace

Je to normální.

Jednoduchý zásobník nástrojů, který funguje (pokud vybíráte software)

• KiCad: zdarma, velmi schopný, skvělá komunita
• EasyEDA: vhodné, pokud chcete rychlé cloudové pracovní postupy
• Altium: průmyslový standard, drahý, výkonný
• Autodesk Fusion electronics: záleží na vašem pracovním postupu

Pokud jste nováčkem, KiCad je silným výchozím bodem a už dávno to není hračka.

Běžné chyby začátečníků, kterým se lze kupodivu snadno vyhnout

Zapomenutí na oddělovací kondenzátory

Většina integrovaných obvodů vyžaduje 0,1uF v blízkosti každého napájecího pinu a navíc hromadný kondenzátor v blízkosti (např. 4,7uF nebo 10uF). Přečtěte si datasheet.

Důvěřovat náhodným stopám

Otisky z knihoven jsou užitečné, ale ověřte si je podle datasheetu. Vždy.

Umístění programové hlavičky na nemožné místo

Pokud potřebujete flashovat firmware, neschovávejte hlavičku pod displej ani ji neumisťujte 1 mm od stěny skříně.

Žádné testovací body

Dokonce jen podložky pro GND, 3V3, 5V, RX, TX. Umožňuje to sondování.

Rozložení spínacího regulátoru “jen směrováno”

Spínací regulátory mají směrnice pro uspořádání z nějakého důvodu. Co nejpřesněji dodržujte referenční uspořádání v datasheetu.

Závěrečná myšlenka (a část, kde si skutečně necháte vyrobit desky)

Návrh desky plošných spojů je smyčka. Navrhujete, konstruujete, učíte se, opravujete. Druhá deska je vždy čistší než první.

Pokud chcete výrobního partnera, který dokáže převzít váš Gerbers a pomůže vám ho dostat přes cílovou čáru bez dohadů, je to důležité. Hodně.

Hledáte spolehlivého partnera pro výrobu desek plošných spojů?

Odešlete své soubory s návrhy na adresu Philifast a získejte konkurenceschopnou nabídku s profesionální podporou.

Často kladené otázky (FAQ)

Jaké jsou klíčové kroky při návrhu desky plošných spojů od schématu po hotovou desku?

Návrh desky plošných spojů zahrnuje řetězec kroků: definování požadavků a omezení, vytvoření schématu, přiřazení patic, nastavení obrysů desky a mechanických omezení, promyšlené rozmístění komponent, směrování stop a rovin, spuštění kontroly pravidel návrhu a elektrických parametrů, generování výrobních souborů, výroba a montáž desky a nakonec testování a případné iterace.

Proč je důležité začít návrh DPS s jasnými požadavky?

Začínáte-li s jasnými požadavky, pomáhá to utvářet všechny aspekty návrhu desek plošných spojů. Pokud víte, k čemu má deska sloužit, jaký je rozsah vstupního napětí, proudové limity, omezení velikosti, způsoby montáže, potřeby konektorů, citlivé signály, podmínky prostředí, cílové náklady a množství, můžete učinit informovaná rozhodnutí, jako je počet vrstev (2 vs. 4 vrstvy), šířka stop, řízení impedance a výběr komponent, které odpovídají potřebám vašeho projektu.

Jak mohu své schéma udělat čitelnější a snadněji laditelné?

Zlepšení čitelnosti schématu: místo dlouhých vodičů všude používejte síťové štítky; seskupujte součásti podle funkce, jako jsou napájecí části nebo senzory; umístěte oddělovací kondenzátory vedle napájecích pinů integrovaného obvodu ve schématu; přidejte testovací body na začátku; uvádějte hodnoty a čísla součástí ve vyhrazených polích namísto poznámek; vždy zkontrolujte vývody s datovými listy, zejména u složitých součástí.

Na co bych měl brát ohled při výběru součástek pro svou desku plošných spojů?

Vyberte si komponenty, které existují v reálném životě, s dostupnými rozměry a podporou dodavatelského řetězce. Věnujte pozornost velikostem balení, které můžete pájet (0603 je zvládnutelné; menší velikosti jako 0402 nebo QFN vyžadují opatrnost), jmenovitým hodnotám napětí/proudu s rezervou, mechanickým výkresům, zejména u konektorů, a vybírejte součástky z dobře podporovaných řad, pokud plánujete budoucí doobjednávky. Vyhněte se ‘jednorožcům’, které se obtížně shánějí nebo nahrazují.

Jak mohu zajistit, aby mé otisky správně odpovídaly skutečným fyzickým dílům?

Pečlivě porovnejte počet vývodů a jejich rozteč; ověřte varianty pouzdra (např. SOIC vs. TSSOP); zkontrolujte značky polarity na diodách nebo elektrolytech; potvrďte rozměry dvorku a otvory pro pájecí masku, zejména u vlastních výřezů. Praktickým tipem je vytisknout si rozvržení desky plošných spojů v poměru 1:1 na papír a před dalším postupem na něj fyzicky umístit skutečné součástky, abyste si ověřili, zda se hodí.

Kdy bych měl zvolit čtyřvrstvou desku plošných spojů místo dvouvrstvé?

Čtyřvrstvá deska plošných spojů se doporučuje, pokud máte vysokorychlostní signály (např. USB 2.0 nebo DDR), potřebujete lepší zemní referenci pro snížení šumu, musíte vést husté součástky, jako jsou BGA nebo integrované obvody s jemnou roztečí, nebo chcete zlepšit integritu napájení. Běžný čtyřvrstvý stack zahrnuje horní signální vrstvu, zemnící rovinu, napájecí rovinu a spodní signální vrstvu, což usnadňuje tyto potřeby ve srovnání s typickými dvouvrstvými deskami vhodnými pro mnoho amatérských projektů.