Mikrovaldiklių kūrimo plokštės projektavimas: 14 žingsnių (su paveikslėliais)

2024 Autorius: John Day | [email protected]. Paskutinį kartą keistas: 2024-01-30 10:47

Ar esate gamintojas, mėgėjas ar įsilaužėlis, norintis pereiti nuo „perfboard“projektų, DIP IC ir namų gamybos PCB prie daugiasluoksnių PCB, pagamintų iš lentinių namų, ir SMD pakuotės, paruoštos masinei gamybai? Tada ši pamoka skirta tau!

Šiame vadove bus išsamiai aprašyta, kaip sukurti daugiasluoksnę PCB, kaip pavyzdį naudojant mikrovaldiklio kūrimo plokštę.

Šios kūrimo plokštės schemoms ir PCB išdėstymui sukurti naudojau „KiCAD 5.0“, nemokamą ir atviro kodo EDA įrankį.

Jei nesate susipažinę su „KiCAD“ar PCB išdėstymo darbo eiga, Chriso Gamelio „YouTube“vadovėliai yra gana gera vieta pradėti.

Redaguoti: Kai kurios nuotraukos per daug priartinamos, tiesiog spustelėkite paveikslėlį, kad pamatytumėte visą nuotrauką:)

1 žingsnis: pagalvokite apie komponentų pakavimą

Paviršiaus tvirtinimo įtaisai (SMD) gali būti išdėstyti ant PCB paėmimo ir įdėjimo mašina, automatizuojant surinkimo procesą. Tada galite paleisti PCB per grįžtamąją krosnį arba bangų litavimo mašiną, jei taip pat turite skylių komponentų.

Taip pat sumažėja mažesnių SMD komponentų laidai, todėl varža, induktyvumas ir EMI yra žymiai mažesni, o tai labai gerai, ypač RF ir aukšto dažnio konstrukcijoms.

Važiavimas ant paviršiaus montuojamu keliu taip pat pagerina mechanines savybes ir tvirtumą, o tai svarbu vibracijai ir mechaniniam įtempių bandymui.

2 žingsnis: Pasirinkite savo mikrovaldiklį

Kiekvienos mikrovaldiklio kūrimo plokštės, kaip ir „Arduino“bei jos darinių, pagrindas yra mikrovaldiklis. „Arduino Uno“atveju tai yra „ATmega 328P“. Kūrėjų lentai naudosime ESP8266.

Jis yra pigus, veikia 80MHz dažniu (ir yra įsijungęs iki 160MHz) IR turi įmontuotą „WiFi“posistemį. Kai jis naudojamas kaip atskiras mikrovaldiklis, jis gali atlikti tam tikras operacijas iki 170 kartų greičiau nei „Arduino“.

3 veiksmas: pasirinkite USB į nuoseklųjį keitiklį

Mikrovaldikliui reikės tam tikro sąsajos su kompiuteriu, kad galėtumėte į jį įkelti savo programas. Paprastai tai atliekama naudojant išorinį lustą, kuris rūpinasi duomenų perkėlimu tarp jūsų kompiuterio USB prievado naudojamų diferencialinių signalų ir vieno galo signalizacijos, prieinamos daugelyje mikrovaldiklių per jų nuosekliojo ryšio išorinius įrenginius, pvz., UART.

Mūsų atveju naudosime FT230X iš FTDI. FTDI USB į serijinius lustus paprastai yra gerai palaikomi daugelyje operacinių sistemų, todėl tai yra saugus statymas kūrėjo lentai. Tarp populiarių alternatyvų (pigesnių variantų) yra „SiLabs“CP2102 ir „CH340G“.

4 žingsnis: pasirinkite savo reguliatorių

Plokštė turės kažkur gauti maitinimą - ir daugeliu atvejų šią galią rasite per linijinį reguliatorių IC. Linijiniai reguliatoriai yra pigūs, paprasti ir, nors ir ne tokie efektyvūs kaip perjungto režimo schema, jie suteiks švarią galią (mažiau triukšmo) ir lengvai integruos.

AMS1117 yra populiariausias linijinis reguliatorius, naudojamas daugelyje kūrėjų plokščių, ir gana tinkamas pasirinkimas ir mūsų kūrimo lentai.

5 veiksmas: pasirinkite energijos tiekimo schemą

Jei ketinate leisti vartotojui maitinti „dev“plokštę per USB, taip pat siūlyti įtampą per vieną iš plokštės kaiščių, jums reikės pasirinkti vieną iš dviejų konkuruojančių įtampų. Tai paprasčiausiai pasiekiama naudojant diodus, kurie leidžia praleisti tik didesnę įėjimo įtampą ir maitina likusią grandinės dalį.

Mūsų atveju mes turime dvigubą Schottky barjerą, kurį sudaro du Schottky diodai vienoje pakuotėje būtent šiam tikslui.

6 veiksmas: pasirinkite periferinius lustus (jei yra)

Galite pridėti mikroschemų prie sąsajos su pasirinktu mikrovaldikliu, kad padidintumėte naudingumą ar funkcionalumą, kurį jūsų kūrėjų lenta siūlo savo vartotojams.

Mūsų atveju ESP8266 turi tik vieną analoginį įvesties kanalą ir labai mažai naudojamų GPIO.

Norėdami tai išspręsti, prie skaitmeninio keitiklio IC pridėsime išorinį analogą ir „GPIO Expander IC“.

ADC pasirinkimas paprastai yra kompromisas tarp konversijos kurso ar greičio ir skiriamosios gebos. Didesnė skiriamoji geba nebūtinai yra geresnė, nes lustai, kurių skiriamoji geba yra didesnė, nes jie naudoja skirtingus atrankos metodus, dažnai turi labai lėtą atrankos dažnį. Įprastų SAR ADC imčių dažnis viršija šimtus tūkstančių mėginių per sekundę, tuo tarpu didesnės skiriamosios gebos „Delta Sigma ADC“paprastai gali priimti tik keletą mėginių per sekundę-visame pasaulyje, esančiame toli nuo greitų SAR ADC ir žaibiškų vamzdynų ADC.

MCP3208 yra 12 bitų ADC su 8 analoginiais kanalais. Jis gali veikti bet kur nuo 2,7 V iki 5,5 V, o maksimalus mėginių ėmimo greitis yra 100 kps.

Pridėjus populiarų GPIO plėtiklį MCP23S17, bus galima naudoti 16 GPIO kaiščių.

7 žingsnis: grandinės projektavimas

Maitinimo grandinė naudoja du Schottky diodus, kad užtikrintų paprastą maitinimo įvesties OR funkciją. Tai sukuria kovą tarp 5 V, gaunamo iš USB prievado, ir to, ką norite pateikti VIN kaiščiui - elektronų mūšio nugalėtojas pasirodo viršuje ir suteikia maitinimą AMS1117 reguliatoriui. Kuklus SMD šviesos diodas yra indikatorius, rodantis, kad energija iš tikrųjų tiekiama likusiai plokštės daliai.

USB sąsajos grandinėje yra ferito granulė, neleidžianti paklaidžiotiems EMI ir triukšmingiems laikrodžio signalams sklisti žemyn vartotojo kompiuterio link. Duomenų linijų (D+ ir D-) serijiniai rezistoriai užtikrina pagrindinį krašto greičio valdymą.

ESP8266 naudoja GPIO 0, GPIO 2 ir GPIO 15 kaip specialius įvesties kaiščius ir nuskaito jų būseną įkrovos metu, kad nustatytų, ar pradėti programavimo režimą, o tai leidžia bendrauti per seriją, kad būtų galima programuoti lusto arba blykstės įkrovos režimą, kuris paleidžia jūsų programą. Įkrovos metu GPIO 2 ir GPIO 15 logika turi būti aukšta, o logika maža. Jei GPIO 0 įkrovos lygis yra žemas, ESP8266 atsisako valdymo ir leidžia išsaugoti savo programą modulio sąsajoje esančioje „flash“atmintyje. Jei GPIO 0 yra didelis, ESP8266 paleidžia paskutinę programą, išsaugotą blykstėje, ir jūs esate pasirengęs pradėti.

Šiuo tikslu mūsų kūrėjų lenta pateikia įkrovos ir atstatymo jungiklius, leidžiančius vartotojams perjungti GPIO 0 būseną ir iš naujo nustatyti įrenginį, kad lustas įjungtų norimą programavimo režimą. Pritraukimo rezistorius užtikrina, kad įrenginys pagal numatytuosius nustatymus įsijungtų į įprastą įkrovos režimą, paleidžiant paskutinę išsaugotą programą.

8 žingsnis: PCB dizainas ir išdėstymas

PCB išdėstymas tampa dar svarbesnis, kai yra naudojami didelės spartos arba analoginiai signalai. Visų pirma analoginiai IC yra jautrūs žemės triukšmo problemoms. Antžeminiai lėktuvai gali suteikti stabilesnę nuorodą į dominančius signalus, sumažindami triukšmą ir trikdžius, kuriuos paprastai sukelia antžeminės kilpos.

Analoginiai pėdsakai turi būti laikomi atokiau nuo didelės spartos skaitmeninių pėdsakų, pvz., Skirtingos duomenų linijos, kurios yra USB standarto dalis. Diferenciniai duomenų signalo pėdsakai turėtų būti kuo trumpesni ir atitikti pėdsakų ilgį. Venkite posūkių ir įtaisų, kad sumažintumėte atspindžius ir varža.

Žvaigždžių konfigūracijos naudojimas įrenginiams tiekti energiją (darant prielaidą, kad dar nenaudojate maitinimo plokštumos) taip pat padeda sumažinti triukšmą pašalindamas dabartinius grįžimo kelius.

9 veiksmas: „PCB Stack-Up“

Mūsų kūrimo plokštė yra pastatyta ant 4 sluoksnių PCB kamino su specialia galios plokštuma ir įžeminimo plokštuma.

„Stack-up“yra jūsų PCB sluoksnių tvarka. Sluoksnių išdėstymas turi įtakos jūsų dizaino EMI atitikčiai, taip pat jūsų grandinės signalo vientisumui.

Į veiksnius, į kuriuos reikia atsižvelgti renkant PCB, turėtų būti:

1. Sluoksnių skaičius
2. Sluoksnių tvarka
3. Tarpai tarp sluoksnių
4. Kiekvieno sluoksnio paskirtis (signalas, plokštuma ir kt.)
5. Sluoksnio storis
6. Kaina

Kiekvienas paketas turi savo privalumų ir trūkumų. Keturių sluoksnių plokštė skleis maždaug 15 dB mažiau spinduliuotės nei dviejų sluoksnių konstrukcija. Daugiasluoksnės plokštės dažniau turi visą įžeminimo plokštumą, mažėja žemės varža ir etaloninis triukšmas.

10 veiksmas: daugiau dėmesio skiriant PCB sluoksniams ir signalo vientisumui

Idealiu atveju signalo sluoksniai turėtų būti šalia galios arba įžeminimo plokštumos, minimalus atstumas tarp signalo sluoksnio ir atitinkamos netoliese esančios plokštumos. Taip optimizuojamas signalo grįžimo kelias, einantis per atskaitos plokštumą.

Maitinimo ir žemės plokštumos gali būti naudojamos ekranuoti tarp sluoksnių arba kaip vidinių sluoksnių skydai.

Maitinimo ir įžeminimo plokštumos, pastatytos viena šalia kitos, rezultatas bus tarpslankstelinė talpa, kuri paprastai veikia jūsų naudai. Ši talpa priklauso nuo jūsų PCB ploto ir dielektrinės konstantos ir yra atvirkščiai proporcinga atstumui tarp plokštumų. Ši talpa puikiai tinka aptarnauti IC, kurioms būdingi nepastovūs tiekimo srovės reikalavimai.

Greiti signalai idealiai yra išdėstyti vidiniuose daugiasluoksnių PCB sluoksniuose, kad juose būtų pėdsakų sukurtas EMI.

Kuo aukštesni dažniai lentelėje, tuo griežtesnių šių idealių reikalavimų reikia laikytis. Mažos spartos konstrukcijos greičiausiai išsisuks su mažiau sluoksnių ar net vienu sluoksniu, o didelės spartos ir radijo dažnių projektams reikalingas sudėtingesnis PCB dizainas ir strategiškesnis PCB surinkimas.

Pavyzdžiui, didelės spartos konstrukcijos yra jautresnės odos poveikiui-tai pastebėjimas, kad esant aukštiems dažniams, srovės srautas neprasiskverbia per visą laidininko kūną, o tai savo ruožtu reiškia, kad mažėja ribinė nauda didėti vario storis tam tikru dažniu, nes papildomas laidininko tūris vis tiek nebus naudojamas. Esant maždaug 100 MHz, odos gylis (srovės storis, faktiškai tekantis per laidininką) yra apie 7um, o tai reiškia net standartinį 1oz. stori signaliniai sluoksniai yra nepakankamai naudojami.

11 veiksmas: šalutinė pastaba apie „Vias“

Vias sudaro jungtis tarp skirtingų daugiasluoksnių PCB sluoksnių.

Naudojamų butelių tipai paveiks PCB gamybos sąnaudas. Aklųjų/palaidų butelių gamyba kainuoja daugiau nei per skylutes. Per skylę per štampus per visą PCB, baigiant žemiausiu sluoksniu. Palaidotos dangteliai yra paslėpti viduje ir jungia tik vidinius sluoksnius, o aklieji indai prasideda vienoje PCB pusėje, bet baigiasi prieš kitą pusę. Perdangos skylės yra pigiausios ir lengviausiai pagaminamos, taigi, jei optimizuojate sąnaudų naudojimui per skylių tarpiklius.

12 žingsnis: PCB gamyba ir surinkimas

Dabar, kai lenta buvo suprojektuota, norimą dizainą norite išvesti kaip Gerber failus iš pasirinkto EDA įrankio ir nusiųsti juos į lentų namą.

Mano plokštes pagamino ALLPCB, tačiau gamybai galite naudoti bet kurią lentų parduotuvę. Aš labai rekomenduočiau naudoti PCB Shopper, kad palygintumėte kainas, kai nuspręsite, kurį lentos namą pasirinkti gamybai, kad galėtumėte palyginti kainas ir galimybes.

Kai kuriuose plokščių namuose taip pat yra PCB surinkimas, kurio jums greičiausiai prireiks, jei norite įgyvendinti šį dizainą, nes jame daugiausia naudojamos SMD ir net QFN dalys.

13 žingsnis: Tai visi žmonės

Ši kūrimo plokštė vadinama „Clouduino Stratus“, ESP8266 pagrįsta kūrimo lenta, sukurta pagreitinti aparatūros/IOT paleidimo prototipų kūrimo procesą.

Tai dar labai ankstyvas dizaino kartojimas, netrukus bus naujų peržiūrų.

Tikiuosi, kad jūs daug išmokote iš šio vadovo!: D

14 žingsnis: premija: komponentai, gerberiai, dizaino failai ir padėkos

[Mikrokontroleris]

1x ESP12F

[Periferiniai įrenginiai]

1 x MCP23S17 GPIO plėtiklis (QFN)

1 x MCP3208 ADC (SOIC)

[Jungtys ir sąsajos]

1 x FT231XQ USB į serijinį (QFN)

1 x USB-B mini jungtis

2 x 16 kontaktų moterų/vyrų antraštės

[Maitinimas] 1 x AMS1117-3.3 reguliatorius (SOT-223-3)

[Kiti]

1 x ECQ10A04-F dvigubas Schottky barjeras (TO-252)

2 x BC847W (SOT323)

7 x 10K 1% SMD 0603 rezistoriai

2 x 27 omų 1% SMD 0603 rezistoriai

3 x 270 omų 1% SMD 0603 rezistoriai

2 x 470 omų 1% SMD 0603 rezistoriai

3 x 0.1uF 50V SMD 0603 kondensatorius

2 x 10uF 50V SMD 0603 kondensatorius

1 x 1uF 50V SMD 0603 kondensatorius

2 x 47pF 50V SMD 0603 kondensatorius

1 x SMD LED 0603 žalia

1 x SMD LED 0603 geltona

1 x SMD LED 0603 mėlyna

2 x OMRON BF-3 1000 THT taktinis jungiklis

1 x ferito karoliukas 600/100mhz SMD 0603

[Padėkos] ADC grafikai mandagūs „TI App Notes“

MCU etalonas:

PCB iliustracijos: Fineline