Как спроектировать печатную плату для начинающих? Полное руководство 2023

Этот пост является первым в серии о Дизайн печатной платы. Эта часть в основном посвящена деталям, которые необходимо знать и использовать перед началом разводки печатной платы (далее в тексте будет встречаться аббревиатура ПП), а вторая часть будет в основном посвящена конструкции самих печатных плат. и постобработка.

Макетные платы хороши для прототипирования и очень полезный инструмент, но когда вам нужно сделать что-то серьезное, вам нужно знать, как сделать свою печатную плату.

Создание печатной платы это не просто, но немного упорства и времени, и это руководство поможет вам создать вашу первую печатную плату.

Анатомия ПП

Когда вы работаете за компьютером, любая задача кажется абстрактной, но не забывайте, что вы работаете с реальными физическими средами и материалами. Прежде чем приступить к изучению конструкции плат, неплохо было бы понять, как они изготавливаются.

Если вы знаете, что и как это делается, то можете смело переходить к следующему разделу.

Материалы для ПП

Для начала разберемся, какие материалы используются для изготовления. Основание для печатной платы изготовлено из твердого непроводящего материала. Этот материал покрыт слоем меди (или другого металла), который образует проводящий слой.

Обычно основой является стекловолокно, известное как FR-4. Это наиболее часто используемый материал, поскольку он огнестойкий, дешевый и имеет низкую собственную проводимость.

Для высокопроизводительных (ВЧ) цепей используются другие типы материалов, например керамика или ПТФЭ. В рамках этих статей мы не будем касаться высокочастотных цепей. Когда вы отправляете свой проект печатной платы на производство или изготавливаете свою плату, электрические соединения обычно выполняются путем удаления выбранных участков меди из общего слоя проводника.

Слои

Однослойные печатные платы очень просты в изготовлении и проектировании. Самый дешевый вариант ПП – односторонний, т.е. на стеклопластике используется только один слой меди. Если вы собираетесь делать ПП в домашних условиях, то он, скорее всего, будет односторонним. Тем не менее, предположим, что макет вашей платы не помещается в один слой. В таком случае придется использовать внешние перемычки для электрических соединений, что уже может быть неудобно при монтаже радиодеталей.

Большинство коммерческих и любительских проектов строятся на двухслойных печатных платах. Их использование позволяет разрабатывать более сложные и элегантные дизайнерские решения плат.

Чем сложнее становятся конструкции, тем больше дополнительных слоев металлизации требует полипропилен. Обычно достаточно двух слоев, а если нет необходимости добавлять больше слоев, то лучше этого не делать, т.к. многослойные платы намного дороже в производстве.

Медные гусеницы

Как упоминалось выше, медные дорожки (электрические соединения) создаются путем удаления лишней меди с поверхности металлизированного слоя. Во второй статье более подробно будут обсуждаться важные аспекты электрических соединений.

ВЬЯС

Одним из основных компонентов печатных плат являются переходные отверстия, используемые в двухслойных и многослойных платах для электрического соединения одного слоя покрытия с другим.

Существует несколько типов переходов:

1. Сквозные переходы - наиболее часто используемый тип, отверстие просверливается через всю плату и наносится для создания электрического контакта со слоями.

2. Глухие переходные отверстия – отверстия, соединяющие внешний слой с одним или несколькими внутренними.

3. Скрытые (заглубленные переходы) - переходы, которые не выходят наружу и соединяют сигналы на внутренних слоях.

4. Micro-via или uVia – микроотверстия или отверстия малого диаметра и небольшой глубины, выполненные лазером или сверлением с контролем глубины и соединяющие внешний слой с внутренним.

Это все, что вам нужно знать о переходах.

Концепции проектирования печатных плат

Разберем еще несколько концепций построения печатных плат и коснемся некоторых других слоев печатной платы, назначение которых необходимо понять.

1. Soldermask - если спросить любого человека, что такое плата, он скажет, что это что-то зеленое. Эта зеленая — паяльная маска, которая защищает печатную плату и предотвращает попадание паяльной пасты на нежелательные электрические контакты на плате. И кстати, не обязательно зеленого, а практически любого цвета. Все зависит от производителя платы.

2. Реперные точки — эта специальная маркировка на плате позволяет автоматическим системам монтажа компонентов калибровать и правильно устанавливать элементы на плате во время установки. Это маленькие кружочки из металла, не покрытые паяльной маской.

3. Шелкография – это еще один слой, который наносится на плату при производстве. Шелкотрафаретная печать — это рисунки на плате, которые дают подсказки пользователю, идентифицируют компонент на плате по размещению или значению и другую информацию.

4. Медные заливки - участки меди, электрически соединенные с землей или питанием; создание полигонов — очень важная часть проектирования печатных плат. Полигоны снижают шум устройства и отводят лишнее тепло от мощных активных компонентов.

Схема Дизайн

Прежде чем рассматривать дизайн платы или схемы устройств, вы должны знать, что вы хотите спроектировать. Вы должны подумать о том, что вы хотите построить, и выбрать правильные компоненты.

Определите свои цели

Первый шаг к успешному проектированию устройств — правильно определить цели, которых вы хотите достичь. Вы всегда должны ставить разумные цели для своего проекта, что означает:

1. Конкретный

2. Измеримый

3. Достижимый

4. Реалистичный

5. ограниченный по времени

Например, я начал работать над личным проектом для своих нужд. Свет в ванной в моей квартире вечером тусклый, но когда я включаю искусственное освещение, свет достаточно яркий и не дискомфортный.

Можно было бы купить лампы меньшей мощности, но допустим их нет в продаже или меньше некуда. И я решил сделать свою лампу, которая будет менять цвет и яркость и управляться без проводов.

Звучит довольно круто; пока идея не вылетела из головы, мы садимся за компьютер и начинаем планировать. На данном этапе мои цели очень широки:

1. лампа должна быть разноцветной

2. диммируемый

3. беспроводное управление

Ни одна из этих целей не является конкретной для проекта. Что подразумевается под многоцветием? Два, три или любое количество цветов? Что такое затемнение? Беспроводное управление, как? Wi-Fi, Zigbee, Bluetooth или, может быть, голос? Все способы возможны.

Давайте немного переформулируем наши цели, чтобы сделать их разумными:

· RGB-светодиоды высокой яркости с плавной регулировкой, покрытые акриловым покрытием для равномерного рассеивания света.

· Регулятор яркости, который позволит мне выбрать любую яркость от полностью выключенной до максимальной яркости светодиодов.

· Интерфейс Bluetooth Low Energy 4.0 для управления параметрами с устройств iOS и Android.

Теперь все наши цели вполне конкретны.

Визуализируйте свою концепцию

Теперь, когда у вас есть четкая идея для вашего проекта, пришло время приступить к дизайну. Прежде чем вы начнете искать компоненты и рисовать схемы, я предлагаю разработать четкое представление о том, как должна работать ваша конструкция. Нам нужно нарисовать функциональную схему устройства, что с чем связано и как оно работает.

Вы еще не знаете, какой блок питания вам нужен или какие разъемы должны быть на плате, но уже знаете, как будут соединяться компоненты и какие дополнительные компоненты потребуются в проекте.

Это хорошее время, чтобы рассмотреть эстетический аспект вашего дизайна. Вы хотите подогнать плату под определенный форм-фактор? Стоит ли учитывать эргономику? Сможете ли вы открыть свой проект через год и понять, как он работает? Эти, казалось бы, незначительные детали отличают хороший дизайн от очень хорошего.

Выбор компонентов

Это может быть самый утомительный шаг в процессе проектирования, но он является ключом к успеху проекта. Выбор правильных компонентов определит, успешно ли вы завершите проект или откажетесь от него в отчаянии.

Производители интегральных схем усердно работают над созданием наиболее функциональных компонентов с наименьшими затратами. Однако не все компании равны в этой гонке, особенно в отношении простоты использования компонентов.

При выборе среди миллионов различных компонентов, представленных на рынке, очень сложно дать полное руководство по выбору. Тем не менее, я могу дать несколько советов, которые помогут вам выбрать лучшие компоненты для вашего приложения.

1. Проверить наличие

 Выбирайте компоненты, которые есть в изобилии и доступны у разных дистрибьюторов. Последнее, что вы хотите сделать, это приостановить свой проект на несколько недель или даже месяцев только потому, что ключевого компонента вашего проекта нет в наличии у поставщика.

2. Учитывайте цикл производства ваших компонентов

 Иногда компоненты сняты с производства, и вам, возможно, придется изменить проект через короткий промежуток времени; впрочем, если ваше устройство находится в единичном экземпляре, это не играет существенной роли.

3. Используйте фильтры по компонентам

 Многие интернет-магазины предоставляют очень функциональные фильтры на сайте по параметрам компонентов, а также по стоимости и наличию. Воспользуйтесь ими, подберите комплектующие с оптимальными для вас параметрами, а затем отфильтруйте их по стоимости.

4. Помните о минимальном количестве

 Многие комплектующие продаются только в минимальных количествах, начиная с 1000 штук.

5. Выберите правильный случай. 

При выборе комплектующих обращайте внимание на корпус, в котором он производится. Не стоит покупать компонент, который вы не сможете потом продать.

6. Изучите компонент

 Перед покупкой обязательно изучите документацию на компонент, чтобы в дальнейшем не возникло проблем с его использованием в проекте.

Ведь комплектующие выбраны, их можно заказать. Мне нравится заказывать через интернет-магазины, такие как mouser.com или digikey.com. Это, конечно, чисто мое предпочтение. Если вы знаете других соответствующих поставщиков, вы можете написать о них в комментариях.

Нарисуйте свои связи

Завершающим этапом перед началом работы с ПО является перенос некоторых ключевых моментов проекта на бумагу. Самый подходящий вариант — раскрашивать каждый блок отдельно на разных страницах блокнота.

Также можно сделать все необходимые пометки о том, что работает и за что отвечает тот или иной штырек. Также введите дополнительную информацию, которая потребуется в процессе проектирования. Например, может быть утомительно искать I2C-адреса микросхемы в даташите и заносить их в блокнот.

После того, как вы выполнили все пометки, можно переходить к процессу проектирования самой печатной платы.