Разработка макетной платы микроконтроллера: 14 шагов (с изображениями)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:52

Вы производитель, любитель или хакер, заинтересованный в переходе от проектов перфорированных плат, микросхем DIP и самодельных печатных плат к многослойным печатным платам, изготовленным собственными производителями, и готовым к массовому производству SMD-корпусам? Тогда это руководство для вас!

В этом руководстве подробно описано, как разработать многослойную печатную плату, на примере платы разработки микроконтроллера.

Я использовал KiCAD 5.0, бесплатный инструмент EDA с открытым исходным кодом, для создания схем и макетов печатной платы для этой платы разработчика.

Если вы не знакомы с KiCAD или рабочим процессом для разводки печатной платы, учебники Криса Гамелла на YouTube - довольно хорошее место для начала.

РЕДАКТИРОВАТЬ: некоторые фотографии слишком сильно увеличены, просто нажмите на изображение, чтобы увидеть полную картину:)

Шаг 1. Подумайте об упаковке компонентов

Устройства для поверхностного монтажа (SMD) могут быть размещены на печатной плате с помощью механизма захвата и установки, что автоматизирует процесс сборки. Затем вы можете пропустить печатную плату через печь оплавления или машину для пайки волной припоя, если у вас также есть компоненты со сквозными отверстиями.

Количество выводов компонентов для небольших SMD также уменьшается, что приводит к существенному снижению импеданса, индуктивности и электромагнитных помех, что очень хорошо, особенно для ВЧ и высокочастотных схем.

Использование маршрута для поверхностного монтажа также улучшает механические характеристики и прочность, что важно для испытаний на вибрацию и механическую нагрузку.

Шаг 2: Выберите свой микроконтроллер

В основе каждой платы разработки микроконтроллеров, таких как Arduino и ее производные, лежит микроконтроллер. В случае с Arduino Uno это ATmega 328P. Для нашей платы разработчика мы будем использовать ESP8266.

Он очень дешевый, работает на частоте 80 МГц (с возможностью разгона до 160 МГц) И имеет встроенную подсистему WiFi. При использовании в качестве автономного микроконтроллера он может выполнять определенные операции до 170 раз быстрее, чем Arduino.

Шаг 3. Выберите конвертер USB в последовательный порт

Микроконтроллеру потребуется какой-то способ взаимодействия с вашим компьютером, чтобы вы могли загружать на него свои программы. Обычно это выполняется с помощью внешнего чипа, который обеспечивает преобразование дифференциальных сигналов, используемых USB-портом вашего компьютера, в одностороннюю сигнализацию, доступную на большинстве микроконтроллеров через их периферийные устройства последовательной связи, такие как UART.

В нашем случае мы будем использовать FT230X от FTDI. Микросхемы USB to Serial от FTDI, как правило, хорошо поддерживаются в большинстве операционных систем, поэтому это безопасная ставка для платы разработчика. Популярные альтернативы (более дешевые варианты) включают CP2102 от SiLabs и CH340G.

Шаг 4: Выберите свой регулятор

Плате нужно будет где-то пропустить питание - и в большинстве случаев вы обнаружите, что это питание обеспечивается через интегральную схему линейного регулятора. Линейные регуляторы дешевы, просты и, хотя и не так эффективны, как схема с переключаемым режимом, предлагают чистую мощность (меньше шума) и простую интеграцию.

AMS1117 - самый популярный линейный регулятор, используемый в большинстве плат для разработчиков, а также неплохой выбор для нашей платы для разработчиков.

Шаг 5: Выберите схему питания ИЛИ

Если вы собираетесь позволить пользователю питать плату разработчика через USB, а также предлагать ввод напряжения через один из контактов на плате, вам понадобится способ выбора между двумя конкурирующими напряжениями. Проще всего это сделать с помощью диодов, которые пропускают только более высокое входное напряжение и питают остальную цепь.

В нашем случае у нас есть двойной барьер Шоттки, который как раз для этой цели включает в себя два диода Шоттки в одном корпусе.

Шаг 6: Выберите периферийные чипы (если есть)

Вы можете добавить микросхемы для взаимодействия с выбранным микроконтроллером, чтобы повысить удобство использования или функциональность, которую ваша плата разработчика предлагает своим пользователям.

В нашем случае ESP8266 имеет только один аналоговый входной канал и очень мало используемых GPIO.

Чтобы решить эту проблему, мы добавим ИС внешнего аналого-цифрового преобразователя и ИС расширителя GPIO.

Выбор АЦП обычно представляет собой компромисс между коэффициентом преобразования или скоростью и разрешением. Более высокое разрешение не обязательно лучше, потому что чипы, которые имеют более высокое разрешение, потому что они используют разные методы дискретизации, часто будут иметь очень низкую частоту дискретизации. Типичные АЦП последовательного приближения имеют частоту дискретизации, превышающую сотни тысяч выборок в секунду, в то время как дельта-сигма-АЦП с более высоким разрешением обычно способны обрабатывать лишь несколько выборок в секунду - это мир вдали от быстрых АЦП последовательного приближения и молниеносных конвейерных АЦП.

MCP3208 - это 12-битный АЦП с 8 аналоговыми каналами. Он может работать в диапазоне от 2,7 В до 5,5 В и имеет максимальную частоту дискретизации 100 кбит / с.

Добавление MCP23S17, популярного расширителя GPIO, привело к тому, что для использования стали доступны 16 контактов GPIO.

Шаг 7: Проектирование схемы

В схеме подачи питания используются два диода Шоттки, обеспечивающие простую операцию ИЛИ для входной мощности. Это устанавливает битву между 5 В, поступающими из порта USB, и всем, что вы хотите подать на вывод VIN - победитель электронной битвы выходит на первое место и обеспечивает питание регулятора AMS1117. Скромный светодиод SMD служит индикатором того, что питание действительно подается на остальную часть платы.

Схема интерфейса USB оснащена ферритовым шариком для предотвращения распространения паразитных электромагнитных помех и зашумленных тактовых сигналов на компьютер пользователя. Последовательные резисторы на линиях передачи данных (D + и D-) обеспечивают базовый контроль скорости фронта.

ESP8266 использует GPIO 0, GPIO 2 и GPIO 15 в качестве специальных входных контактов, считывая их состояние при загрузке, чтобы определить, следует ли начинать в режиме программирования, что позволяет вам связываться через последовательный порт для программирования режима загрузки чипа или флэш-памяти, который запускает вашу программу.. GPIO 2 и GPIO 15 должны оставаться на высоком уровне и низком уровне соответственно во время процесса загрузки. Если GPIO 0 находится на низком уровне при загрузке, ESP8266 отказывается от управления и позволяет сохранить вашу программу во флэш-памяти, подключенной к модулю. Если GPIO 0 высокий, ESP8266 запускает последнюю программу, сохраненную во флэш-памяти, и вы готовы к работе.

Для этого на нашей плате разработчика предусмотрены переключатели загрузки и сброса, позволяющие пользователям переключать состояние GPIO 0 и перезагружать устройство, чтобы перевести чип в желаемый режим программирования. Подтягивающий резистор гарантирует, что устройство по умолчанию запустится в нормальном режиме загрузки, запустив последнюю сохраненную программу.

Шаг 8: Дизайн и компоновка печатной платы

Компоновка печатной платы становится более важной, когда задействованы высокоскоростные или аналоговые сигналы. Аналоговые ИС, в частности, чувствительны к шуму заземления. Плоскости заземления могут обеспечивать более стабильную опорную связь для интересующих сигналов, уменьшая шум и помехи, обычно вызываемые контурами заземления.

Аналоговые трассы должны находиться вдали от высокоскоростных цифровых трасс, таких как дифференциальные линии передачи данных, которые являются частью стандарта USB. Трассы сигналов дифференциальных данных должны быть как можно короче и должны соответствовать длине трассы. Избегайте поворотов и переходных отверстий, чтобы уменьшить отражения и колебания импеданса.

Использование звездообразной конфигурации для подачи питания на устройства (при условии, что вы еще не используете плоскость питания) также помогает снизить уровень шума за счет устранения обратных путей тока.

Шаг 9: Сборка печатных плат

Наша плата разработчика построена на 4-слойном стеке печатных плат с выделенной плоскостью питания и заземлением.

Ваш «стек» - это порядок слоев на вашей печатной плате. Расположение слоев влияет на соответствие вашей конструкции электромагнитным помехам, а также на целостность сигнала вашей схемы.

Факторы, которые следует учитывать при сборке вашей печатной платы, включают:

1. Количество слоев
2. Порядок слоев
3. Расстояние между слоями
4. Назначение каждого слоя (сигнал, плоскость и т. Д.)
5. Толщина слоя
6. Расходы

У каждого стека есть свои преимущества и недостатки. Четырехслойная плата будет производить примерно на 15 дБ меньше излучения, чем двухслойная. Многослойные платы с большей вероятностью будут иметь полную заземляющую поверхность, уменьшающее сопротивление заземления и опорный шум.

Шаг 10: дополнительные соображения относительно слоев печатной платы и целостности сигнала

В идеале сигнальные слои должны располагаться рядом либо с силовой, либо с заземленной плоскостью, с минимальным расстоянием между сигнальным слоем и соответствующей соседней плоскостью. Это оптимизирует обратный путь сигнала, который проходит через опорную плоскость.

Плоскости питания и заземления могут использоваться для обеспечения экранирования между слоями или в качестве экранов для внутренних слоев.

Плоскости питания и заземления, когда они размещаются рядом друг с другом, создают межплоскостную емкость, которая обычно работает в вашу пользу. Эта емкость зависит от площади вашей печатной платы, а также от ее диэлектрической проницаемости и обратно пропорциональна расстоянию между плоскостями. Эта емкость хорошо подходит для микросхем, требующих непостоянного тока питания.

В идеале быстрые сигналы хранятся во внутренних слоях многослойных печатных плат, чтобы сдерживать электромагнитные помехи, генерируемые дорожками.

Чем выше частоты на плате, тем строже должны соблюдаться эти идеальные требования. Низкоскоростные конструкции, вероятно, обойдутся без меньшего количества слоев или даже с одним слоем, в то время как высокоскоростные и высокочастотные конструкции требуют более сложной конструкции печатной платы с более стратегической компоновкой печатных плат.

Например, высокоскоростные конструкции более восприимчивы к скин-эффекту, т. толщину меди на определенной частоте, так как лишний объем проводника в любом случае не будет использован. На частоте около 100 МГц толщина скин-слоя (толщина тока, фактически протекающего через проводник) составляет около 7 мкм, что означает даже стандартные 1 унцию. толстые сигнальные слои используются недостаточно.

Шаг 11: дополнительная информация о переходных отверстиях

Переходные отверстия образуют соединения между различными слоями многослойной печатной платы.

Типы используемых переходных отверстий повлияют на стоимость производства печатной платы. Производство глухих / заглубленных переходных отверстий дороже, чем переходных отверстий со сквозными отверстиями. Сквозное отверстие проходит через всю печатную плату, заканчиваясь на самом нижнем слое. Скрытые переходные отверстия скрыты внутри и соединяют только внутренние слои, в то время как глухие переходные отверстия начинаются на одной стороне печатной платы, но заканчиваются раньше, чем на другой стороне. Переходные отверстия в сквозных отверстиях являются самыми дешевыми и простыми в изготовлении, поэтому при оптимизации затрат на сквозные переходные отверстия.

Шаг 12: Изготовление и сборка печатной платы

Теперь, когда плата спроектирована, вы захотите вывести дизайн в виде файлов Gerber из выбранного вами инструмента EDA и отправить их в дом плат для изготовления.

Мои платы были изготовлены ALLPCB, но вы можете использовать для изготовления платы любой магазин. Я настоятельно рекомендую использовать PCB Shopper для сравнения цен при принятии решения, какой панельный дом выбрать для изготовления, чтобы вы могли сравнить цены и возможности.

Некоторые из производителей плат также предлагают сборку печатных плат, которая вам, вероятно, понадобится, если вы захотите реализовать эту конструкцию, поскольку в ней используются в основном детали SMD и даже QFN.

Шаг 13: Это все

Эта плата разработки называется «Clouduino Stratus», плата разработчика на базе ESP8266, которую я разработал для ускорения процесса прототипирования для запуска оборудования / IOT.

Это все еще ранняя версия дизайна, и скоро появятся новые версии.

Надеюсь, вы многому научились из этого руководства!: D

Шаг 14: Бонус: компоненты, герберы, файлы дизайна и благодарности

[Микроконтроллер]

1x ESP12F

[Периферийные устройства]

1 x расширитель GPIO MCP23S17 (QFN)

1 x АЦП MCP3208 (SOIC)

[Разъемы и интерфейс]

1 x FT231XQ USB для последовательного порта (QFN)

1 мини-разъем USB-B

2 x 16-контактных разъема типа `` мама '' / `` папа ''

[Мощность] 1 x AMS1117 - 3.3 Регулятор (SOT-223-3)

[Другое]

1 x ECQ10A04-F Двойной барьер Шоттки (TO-252)

2 x BC847W (SOT323)

7 x 10 кОм 1% резисторы SMD 0603

2 резистора 27 Ом 1% SMD 0603

Резисторы SMD 0603, 3 x 270 Ом, 1%

2 резистора 470 Ом 1% SMD 0603

3 x 0,1 мкФ 50 В SMD 0603 конденсатор

2 x 10 мкФ 50 В SMD 0603 конденсатор

1 х 1 мкФ 50 В SMD 0603 конденсатор

2 x 47pF 50V SMD 0603 конденсатор

1 x SMD LED 0603 зеленый

1 x SMD светодиод 0603 желтый

1 x SMD LED 0603 Синий

Тактовый переключатель OMRON BF-3 1000 THT - 2 шт.

1 х ферритовый шарик 600/100 МГц SMD 0603

[Благодарности] Графики АЦП любезно предоставлены TI App Notes

Тест MCU:

Иллюстрации печатных плат: Fineline