עיצוב לוח פיתוח מיקרו -בקר: 14 שלבים (עם תמונות)

2024 מְחַבֵּר: John Day | [email protected]. שונה לאחרונה: 2024-01-30 09:15

האם אתה יוצר, חובב או האקר המעוניין להתגבר מפרויקטים של פרפבורד, מכשירי DIP ומחשבי PCB תוצרת בית למכשירי PCB מרובי שכבות המיוצרים על ידי בתי לוח ואריזות SMD המוכנות לייצור המוני? אז ההנחיה הזו היא בשבילך!

מדריך זה יפרט כיצד ניתן לתכנן PCB רב שכבתי, כדוגמה באמצעות לוח dev של מיקרו -בקר.

השתמשתי ב- KiCAD 5.0, שהוא כלי EDA בחינם וקוד פתוח, ליצירת הסכימות והפריסת PCB ללוח ה- dev הזה.

אם אינך מכיר את KiCAD או את זרימת העבודה לפריסת PCB, ההדרכות של כריס גמל ב- YouTube הן מקום די טוב להתחיל בו.

עריכה: חלק מהתמונות מתקרבות מדי, פשוט לחץ על התמונה כדי לראות את התמונה המלאה:)

שלב 1: חשוב על אריזות רכיבים

ניתן למקם התקני הרכבה על פני השטח על גבי לוח PCB על ידי מכונת בחירה ומקום, מה שהופך את תהליך ההרכבה לאוטומטי. לאחר מכן תוכל להריץ את הלוח באמצעות תנור מחזר, או מכונת הלחמת גל, אם יש לך גם רכיבי חורים.

מוליכי רכיבים עבור SMD קטנים יותר מופחתים גם הם, וכתוצאה מכך עכבה נמוכה יותר, השראות ו- EMI, דבר טוב מאוד, במיוחד עבור RF ותכנונים בתדירות גבוהה.

מעבר במסלול הרכבה על פני השטח משפר גם את הביצועים המכניים ואת החוסן, דבר החשוב לרעידות ולבדיקת מאמץ מכני.

שלב 2: בחר את המיקרו -בקר שלך

בלב כל לוח פיתוח של מיקרו -בקר, כמו הארדואינו ונגזרותיו, נמצא מיקרו -בקר. במקרה של ה- Arduino Uno, זהו ה- ATmega 328P. עבור לוח ה- dev שלנו, נשתמש ב- ESP8266.

הוא זול לכלוך, פועל במהירות 80 מגה-הרץ (וניתן להשמעה יתר על המידה עד 160 מגהרץ) ויש לו מערכת משנה WiFi מובנית. כאשר הוא משמש כמיקרו -בקר עצמאי, הוא יכול לבצע פעולות מסוימות עד 170 פעמים מהר יותר מאשר Arduino.

שלב 3: בחר את ממיר ה- USB שלך לטורי

מיקרו -בקר יצטרך דרך כלשהי להתממשק עם המחשב שלך, כך שתוכל לטעון עליו את התוכניות. זה מושג בדרך כלל על ידי שבב חיצוני, הדואג לתרגם בין האותות הדיפרנציאליים המשמשים את יציאת ה- USB במחשב שלך, לבין האותות החד -פעמיים הזמינים ברוב המיקרו -בקרים באמצעות ציוד התקשורת הטורי שלהם, כמו UART.

במקרה שלנו, נשתמש ב- FT230X, מבית FTDI. שבבי USB עד סידורי מ- FTDI נוטים להיות נתמכים היטב ברוב מערכות ההפעלה, כך שזה הימור בטוח ללוח dev. החלופות הפופולריות (אפשרויות זולות יותר) כוללות את CP2102 מבית SiLabs ו- CH340G.

שלב 4: בחר את הרגולטור שלך

הלוח יצטרך להעביר כוח איפשהו - וברוב המקרים תמצא את הכוח הזה מסופק באמצעות IC רגולטורי לינארי. הרגולטורים הליניאריים זולים, פשוטים, ולמרות שהם לא יעילים כמו תכנית מצבים, הם יציעו כוח נקי (פחות רעש) ושילוב קל.

ה- AMS1117 הרגולטור הלינארי הפופולרי ביותר המשמש ברוב לוחות ה- dev, ובחירה הגונה למדי גם ללוח ה- dev שלנו.

שלב 5: בחר את תכנית ההפעלה או ההפעלה שלך

אם אתה מתכוון לאפשר למשתמש להפעיל את לוח ה- dev באמצעות USB, ולהציע גם קלט מתח דרך אחד הפינים בלוח, תצטרך דרך לבחור בין שני המתחים המתחרים. הדבר נעשה בצורה פשוטה ביותר באמצעות דיודות, הפועלות על מנת לאפשר רק למתח הכניסה הגבוה יותר לעבור ולהניע את שאר המעגל.

במקרה שלנו, יש לנו מחסום שוטקי כפול, הכולל שתי דיודות שוטקיות על חבילה אחת בדיוק למטרה זו.

שלב 6: בחר שבבים היקפיים (אם קיימים)

אתה יכול להוסיף שבבים לממשק עם המיקרו -בקר שבחרת כדי לשפר את השימושיות או הפונקציונליות של לוח ה- dev מציע למשתמשיה.

במקרה שלנו, ל- ESP8266 יש רק ערוץ קלט אנלוגי יחיד ומעט מאוד GPIO שמיש.

כדי לטפל בכך, נוסיף אנלוגי חיצוני ל- IC ממיר דיגיטלי ו- IC Expander IC.

בחירת ADC היא בדרך כלל פשרה בין שיעור ההמרות או המהירות לבין הרזולוציה. רזולוציות גבוהות יותר אינן בהכרח טובות יותר, מכיוון שלשבבים הכוללים רזולוציות גבוהות יותר מכיוון שהם משתמשים בטכניקות דגימה שונות לרוב יהיו קצבי הדגימה איטיים מאוד. ל- ADCs אופייניים ל- SAR יש קצבי דגימות העולים על מאות אלפי דגימות בשנייה, בעוד ש- ADCs Delta Sigma ברזולוציה גבוהה יותר בדרך כלל מסוגלים רק לקומץ דגימות בשנייה-עולם רחוק מה- ADCs המהירים ומה- ADCs המהירים בצינור.

ה- MCP3208 הוא ADC של 12 סיביות, עם 8 ערוצים אנלוגיים. הוא יכול לפעול בכל מקום בין 2.7V-5.5V ויש לו קצב דגימה מרבי של 100psps.

הוספת MCP23S17, הרחבת GPIO פופולרית מביאה לכך ש- 16 סיכות GPIO הופכות לזמינות לשימוש.

שלב 7: עיצוב מעגלים

מעגל אספקת החשמל משתמש בשתי דיודות schottky כדי לספק פונקציית OR-ing פשוטה עבור קלט חשמל. זה קובע קרב בין 5V היוצא מיציאת ה- USB, וכל מה שתרצו לספק לסיכת ה- VIN - המנצח בקרב הקרב האלקטרונים יוצא למעלה ומספק כוח לווסת AMS1117. נורית SMD צנועה משמשת אינדיקטור לכך שבאמת מועבר הכוח לשאר הלוח.

מעגל ממשק ה- USB כולל חרוז פריט למניעת EMI תועה ואותות השעון הרועש להקרין כלפי מטה לעבר מחשב המשתמש. נגדי הסדרה בקווי הנתונים (D+ ו- D-) מספקים בקרת קצב קצה בסיסית.

ה- ESP8266 משתמש ב- GPIO 0, GPIO 2 ו- GPIO 15 כסיכות קלט מיוחדות, וקורא את מצבן בעת האתחול כדי לקבוע אם להתחיל במצב תכנות, מה שמאפשר לך לתקשר באמצעות סדרות לתכנת מצב אתחול שבב או פלאש, המפעיל את התוכנית שלך. GPIO 2 ו- GPIO 15 חייבים להישאר בשיא ההיגיון, ולהיגיון נמוך, בהתאמה במהלך תהליך האתחול. אם GPIO 0 נמוך באתחול, ה- ESP8266 מוותר על השליטה ומאפשר לך לאחסן את התוכנית שלך בזיכרון הבזק המבוצע בתוך המודול. אם GPIO 0 גבוה, ESP8266 מפעיל את התוכנית האחרונה המאוחסנת בפלאש, ואתה מוכן להפעלה.

לשם כך לוח ה- dev שלנו מספק מתגי אתחול ואיפוס, ומאפשר למשתמשים להחליף את מצב GPIO 0 ולאפס את המכשיר, כדי להכניס את השבב למצב התכנות הרצוי. נגד משיכה מבטיח שהמכשיר יתחיל למצב אתחול רגיל כברירת מחדל, ותניע את התוכנית האחרונה שאוחסנה.

שלב 8: עיצוב ופריסת PCB

פריסת PCB הופכת קריטית יותר ברגע שמעורבים אותות מהירים או אנלוגיים. מחשבי IC אנלוגיים במיוחד רגישים לבעיות רעש קרקע. למטוסי הקרקע יש יכולת לספק התייחסות יציבה יותר לאותות העניין, תוך הפחתת רעש והפרעות הנגרמות בדרך כלל על ידי לולאות קרקע.

יש להרחיק עקבות אנלוגיים ממעקבים דיגיטליים במהירות גבוהה, כגון קווי הנתונים הדיפרנציאליים המהווים חלק מתקן ה- USB. עקבות אותות הנתונים הדיפרנציאליים צריכות להיעשות קצרות ככל האפשר, ולהתאים את אורך העקבות. הימנע מפניות ויאסות להפחתת השתקפויות ווריאציות עכבה.

שימוש בתצורת כוכבים לאספקת חשמל למכשירים (בהנחה שאתה כבר לא משתמש במטוס חשמל) מסייע גם בהפחתת רעש על ידי ביטול נתיבי החזרה הנוכחיים.

שלב 9: ערימת PCB

לוח ה- dev שלנו בנוי על מחסנית PCB בעלת 4 שכבות, עם מטוס כוח ומישור קרקע ייעודי.

ה"ערימה "שלך היא בסדר השכבות במחשב הלוח. סידור השכבות משפיע על תאימות ה- EMI של העיצוב שלך, כמו גם על תקינות האות של המעגל שלך.

גורמים שיש לקחת בחשבון במערך ה- PCB שלך יכללו:

1. מספר השכבות
2. סדר השכבות
3. מרווח בין השכבות
4. המטרה של כל שכבה (אות, מטוס וכו ')
5. עובי השכבה
6. עֲלוּת

לכל ערימה יש יתרונות וחסרונות משלה. לוח בעל 4 שכבות ייצר פחות 15dB קרינה מאשר עיצוב דו שכבתי. סביר יותר שללוחות רב שכבתיים יש מטוס קרקע מלא, הפחתת עכבת הקרקע ורעשי התייחסות.

שלב 10: שיקולים נוספים לגבי שכבות PCB ותקינות אותות

שכבות האות צריכות להיות ליד מטוס כוח או קרקע, עם מרחק מינימלי בין שכבת האות למטוס הסמוך שלהן. זה מייעל את נתיב החזרת האות, שעובר במישור ההתייחסות.

ניתן להשתמש במטוסי כוח וקרקע כדי לספק מיגון בין השכבות, או כמגנים לשכבות פנימיות.

מטוס כוח וקרקע, כאשר הוא ממוקם זה ליד זה, יביא לקיבול בין -מטוס שבדרך כלל פועל לטובתך. קיבול זה משתנה עם שטח ה- PCB שלך, כמו גם הקבוע הדיאלקטרי שלו, והוא ביחס הפוך למרחק בין המטוסים. קיבול זה פועל היטב לשרת ICs הכוללים דרישות זרם אספקה נדיף.

אותות מהירים נשמרים באופן אידיאלי בשכבות הפנימיות של PCB רב שכבתי, כדי להכיל את ה- EMI שנוצר עקבות.

ככל שהתדרים שבהם מטפלים בלוח גבוהים יותר, כך יש לדבוק בדרישות האידיאליות הללו. סביר שעיצובים במהירות נמוכה יברחו עם פחות שכבות, או אפילו שכבה אחת, בעוד שעיצובים במהירות גבוהה ו- RF מחייבים עיצוב PCB מורכב יותר עם ערימת PCB אסטרטגית יותר.

עיצובים במהירות גבוהה, למשל, רגישים יותר לאפקט העור-שהיא התצפית כי בתדרים גבוהים, זרימת הזרם אינה חודרת דרך כל גוף המוליך, מה שאומר בתורו שיש תועלת שולית הולכת ופוחתת לעלייה עובי הנחושת בתדירות מסוימת, שכן נפח נוסף של מנצח לא ינוצל בכל מקרה. בסביבות 100MHz, עומק העור (עובי הזרם הזורם למעשה דרך המנצח) הוא כ -7um, כלומר אפילו 1oz סטנדרטי. שכבות אות עבות אינן מנוצלות.

שלב 11: הערת צד על ויאס

Vias יוצרים חיבורים בין השכבות השונות של לוח PCB רב שכבתי.

סוגי הויאס המשמשים ישפיעו על עלות ייצור ה- PCB. יירות עיוורות/קבורות עולות יותר לייצור מאשר דרך ויאסות דרך חורים. חור דרך דרך אגרופים דרך כל הלוח המודפס כולו, המסתיים בשכבה הנמוכה ביותר. ויאסות קבורות מוסתרות בפנים ורק מקשרות שכבות פנימיות, ואילו ויאסות עיוורות מתחילות בצד אחד של ה- PCB אך מסתיימות לפני הצד השני. ויאסות דרך חורים הן הזולות והקלות ביותר לייצור, כך שאם מייעלות עבור שימוש בעלויות באמצעות ויאסות חורים.

שלב 12: ייצור והרכבה של PCB

כעת, לאחר שהלוח תוכנן, תרצה להוציא את העיצוב כקובצי גרבר מכלי ה- EDA המועדף עליך ולשלוח אותם לבית הלוח לצורך ייצור.

היו לי הלוחות שלי מפוברקים על ידי ALLPCB, אבל אתה יכול להשתמש בכל חנות לוחות לייצור. אני ממליץ בחום להשתמש ב- PCB Shopper כדי להשוות מחירים בעת ההחלטה באיזה בית לוח לבחור לייצור - כך שתוכל להשוות מבחינת תמחור ויכולות.

חלק מבתי הלוח מציעים גם הרכבה PCB, שסביר להניח שתזדקק לה אם תרצה ליישם עיצוב זה, מכיוון שהוא משתמש בעיקר בחלקים SMD ואפילו QFN.

שלב 13: זה כל האנשים

לוח פיתוח זה נקרא "Clouduino Stratus", לוח dev מבוסס ESP8266 שעיצבתי להאיץ את תהליך האב טיפוס להפעלת חומרה/IOT.

זהו עדיין איטרציה מוקדמת של העיצוב, עם עדכונים חדשים בקרוב.

אני מקווה שלמדתם הרבה מהמדריך הזה!: ד

שלב 14: בונוס: רכיבים, גרברים, קבצי עיצוב ותודות

[בקר מיקרו]

1x ESP12F

[ציוד היקפי]

1 x מרחיב GPIO MCP23S17 (QFN)

1 x MCP3208 ADC (SOIC)

[מחברים וממשק]

1 x FT231XQ USB לסידורי (QFN)

1 x מחבר מיני USB-B

2 כותרות נקבה/זכר 16 פינים

[כוח] 1 x AMS1117-3.3 רגולטור (SOT-223-3)

[אחרים]

1 x מחסום ECC10A04-F כפול שוטקי (TO-252)

2 x BC847W (SOT323)

7 x 10K 1% SMD 0603 נגדים

2 x 27 אוהם 1% SMD 0603 נגדים

3 x 270 אוהם 1% SMD 0603 נגדים

2 x 470 אוהם 1% SMD 0603 נגדים

קבלים 3 x 0.1uF 50V SMD 0603

קבלים 2 x 10uF 50V SMD 0603

1 x 1uF 50V SMD 0603 קבלים

קבלים 2 x 47pF 50V SMD 0603

1 x SMD LED 0603 ירוק

1 x LED SMD 0603 צהוב

1 x LED SMD 0603 כחול

2 x מתג טאקט OMRON BF-3 1000 THT

1 x חרוז פריט 600/100mhz SMD 0603

[הודעות] גרפי ADC באדיבות TI App Notes

מדד MCU:

איורי PCB: Fineline