Navrhování vývojové desky mikrokontroléru: 14 kroků (s obrázky)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:22

Jste výrobce, fanda nebo hacker, který se zajímá o přechod od projektů na výrobu desek, DIP integrovaných obvodů a domácích desek plošných spojů na vícevrstvé desky plošných spojů vyráběné deskovými domy a obaly SMD připravené pro sériovou výrobu? Pak je tento návod pro vás!

Tato příručka podrobně popisuje, jak postupovat při návrhu vícevrstvé desky plošných spojů, například na příkladu vývojové desky mikrokontroléru.

K vytvoření schémat a rozvržení desky plošných spojů pro tuto desku pro vývojáře jsem použil KiCAD 5.0, což je bezplatný a otevřený nástroj EDA.

Pokud nejste obeznámeni s KiCADem nebo pracovním postupem pro rozložení PCB, jsou návody Chris Gamella na YouTube docela dobrým místem pro začátek.

ÚPRAVA: Některé fotografie se příliš přibližují, kliknutím na obrázek zobrazíte celý obrázek:)

Krok 1: Přemýšlejte o balení komponent

Zařízení pro povrchovou montáž (SMD) lze umístit na desku plošných spojů pomocí zařízení typu pick and place, což automatizuje proces montáže. Desku plošných spojů pak můžete spustit přes přetavovací pec nebo stroj na pájení vlnou, pokud máte také součásti s průchozími otvory.

Snižují se také komponentní vývody pro menší SMD, což má za následek podstatně nižší impedanci, indukčnost a EMI, což je velmi dobrá věc, zejména pro vysokofrekvenční a vysokofrekvenční provedení.

Cesta po povrchu také zlepšuje mechanický výkon a odolnost, což je důležité pro testování vibrací a mechanického namáhání.

Krok 2: Vyberte si svůj mikrokontrolér

Srdcem každé vývojové desky mikrokontroléru, jako je Arduino a jeho deriváty, je mikrokontrolér. V případě Arduino Uno je to ATmega 328P. Pro naši desku pro vývoj budeme používat ESP8266.

Je to velmi levné, běží na 80MHz (a je přetaktovatelné na 160MHz) A má vestavěný WiFi subsystém. Při použití jako samostatný mikrokontrolér může provádět určité operace až 170x rychleji než Arduino.

Krok 3: Vyberte převodník USB na sériový port

Mikrokontrolér bude potřebovat nějaký způsob propojení s vaším počítačem, abyste na něj mohli načíst své programy. Toho je obvykle dosaženo externím čipem, který se stará o překlad mezi diferenciálními signály používanými portem USB ve vašem počítači a signalizací s jedním koncem, která je k dispozici na většině mikrokontrolérů prostřednictvím jejich sériových komunikačních periferií, jako je UART.

V našem případě použijeme FT230X od FTDI. Čipy USB to Serial od FTDI bývají dobře podporovány napříč většinou operačních systémů, takže je to sázka na jistotu pro vývojovou desku. Mezi oblíbené alternativy (levnější varianty) patří CP2102 od SiLabs a CH340G.

Krok 4: Vyberte si svůj regulátor

Deska bude muset někde získat energii - a ve většině případů najdete tuto energii poskytovanou prostřednictvím lineárního regulátoru IC. Lineární regulátory jsou levné, jednoduché a přestože nejsou tak účinné jako schéma spínaného režimu, nabídnou čistý výkon (méně hluku) a snadnou integraci.

AMS1117 nejpopulárnější lineární regulátor používaný ve většině desek pro vývojáře a docela slušná volba i pro naši desku pro vývojáře.

Krok 5: Vyberte si schéma NEBO napájení

Pokud se chystáte nechat uživatele napájet desku vývojáře přes USB a také nabízet napěťový vstup přes jeden z pinů na desce, budete potřebovat způsob, jak si vybrat mezi dvěma konkurenčními napětími. Toho je nejjednodušeji dosaženo použitím diod, které pracují tak, aby umožňovaly průchod pouze vyššího vstupního napětí a napájení zbytku obvodu.

V našem případě máme duální schottky bariéru, která pro tento účel obsahuje dvě schottky diody na jednom balení.

Krok 6: Vyberte si své periferní čipy (pokud existují)

Můžete přidat čipy do rozhraní s vámi zvoleným mikrokontrolérem, abyste zlepšili použitelnost nebo funkčnost, kterou vaše deska pro vývojáře nabízí svým uživatelům.

V našem případě má ESP8266 pouze jeden analogový vstupní kanál a velmi málo použitelných GPIO.

Abychom to vyřešili, přidáme externí IC analogového na digitální převodník a integrovaný obvod GPIO Expander.

Volba ADC je obvykle kompromisem mezi konverzním poměrem nebo rychlostí a rozlišením. Vyšší rozlišení nemusí být nutně lepší, protože čipy, které mají vyšší rozlišení, protože používají různé techniky vzorkování, budou mít často velmi pomalé vzorkovací frekvence. Typické ADC SAR mají vzorkovací frekvenci přesahující stovky tisíc vzorků za sekundu, zatímco Delta Sigma ADC s vyšším rozlišením jsou obvykle schopny zvládnout jen několik vzorků za sekundu-svět daleko od rychlých ADC SAR a bleskově rychlých pipeline ADC.

MCP3208 je 12bitový ADC s 8 analogovými kanály. Může pracovat kdekoli mezi 2,7V-5,5V a má maximální vzorkovací frekvenci 100ksps.

Přidání MCP23S17, populárního GPIO expandéru, má za následek použití 16 GPIO pinů.

Krok 7: Návrh obvodu

Obvod dodávky energie využívá dvě schottkyho diody k zajištění jednoduché funkce OR-ing pro příkon. Tím se nastaví bitva mezi 5V pocházejícími z USB portu a tím, co chcete poskytnout kolíku VIN - vítěz elektronové bitvy je na vrcholu a poskytuje napájení regulátoru AMS1117. Pokorná LED dioda SMD slouží jako indikátor toho, že energie je ve skutečnosti dodávána do zbytku desky.

Obvod rozhraní USB je vybaven feritovou perličkou, která brání rozptýlenému EMI a hlučným hodinovým signálům vyzařovat dolů k počítači uživatele. Sériové odpory na datových linkách (D+ a D-) poskytují základní ovládání rychlosti hrany.

ESP8266 používá GPIO 0, GPIO 2 a GPIO 15 jako speciální vstupní piny, které čtou jejich stav při spuštění, aby určily, zda mají být spuštěny v režimu programování, což vám umožní komunikovat přes sériový program a naprogramovat režim spouštění čipu nebo blesku, který spustí váš program. GPIO 2 a GPIO 15 musí během procesu spouštění zůstat na logické výšce, respektive logické nízké. Pokud je při spouštění GPIO 0 málo, ESP8266 se vzdává řízení a umožňuje vám uložit program do paměti flash propojené s modulem. Pokud je GPIO 0 vysoké, ESP8266 spustí poslední program uložený ve flashi a můžete začít hrát.

Za tímto účelem naše vývojová deska poskytuje přepínače spouštění a resetování, které uživatelům umožňují přepínat stav GPIO 0 a resetovat zařízení, aby se čip dostal do požadovaného režimu programování. Vytahovací odpor zajišťuje, že se zařízení ve výchozím nastavení spustí do normálního zaváděcího režimu a spustí poslední uložený program.

Krok 8: Návrh a rozložení DPS

Rozložení desky plošných spojů se stává kritičtějším, jakmile jsou zapojeny vysokorychlostní nebo analogové signály. Zejména analogové integrované obvody jsou citlivé na problémy se zemním šumem. Pozemní letadla mají schopnost poskytovat stabilnější referenci pro sledované signály, snižovat šum a rušení typicky způsobené pozemními smyčkami.

Analogové stopy je třeba uchovávat mimo vysokorychlostní digitální stopy, jako jsou diferenciální datové linky, které jsou součástí standardu USB. Trasy signálu diferenciálních dat by měly být co nejkratší a měly by odpovídat délce stopy. Vyhněte se zatáčkám a průchodům, abyste snížili odrazy a kolísání impedance.

Použití hvězdicové konfigurace pro napájení zařízení (za předpokladu, že ještě nepoužíváte napájecí rovinu) také pomáhá snižovat hluk tím, že eliminuje proudové zpáteční cesty.

Krok 9: Zásobník desek plošných spojů

Naše vývojová deska je postavena na 4vrstvé desce plošných spojů s vyhrazenou výkonovou a pozemní rovinou.

Vaše „stack-up“je pořadí vrstev na vaší DPS. Uspořádání vrstev ovlivňuje soulad EMI vašeho návrhu a integritu signálu vašeho obvodu.

Faktory, které je třeba vzít v úvahu při hromadění desek plošných spojů, zahrnují:

1. Počet vrstev
2. Pořadí vrstev
3. Mezery mezi vrstvami
4. Účel každé vrstvy (signál, rovina atd.)
5. Tloušťka vrstvy
6. Náklady

Každý balíček má své výhody a nevýhody. Čtyřvrstvá deska bude produkovat zhruba o 15 dB méně záření než dvouvrstvá konstrukce. Vícevrstvé desky mají větší pravděpodobnost kompletní zemní roviny, snižující se zemní impedance a referenční šum.

Krok 10: Další úvahy o vrstvách DPS a integritě signálu

Signální vrstvy by v ideálním případě měly být vedle výkonové nebo pozemní roviny s minimální vzdáleností mezi signální vrstvou a příslušnou blízkou rovinou. Tím se optimalizuje návratová cesta signálu, která prochází referenční rovinou.

K zajištění stínění mezi vrstvami lze použít výkonové a pozemní roviny nebo jako štíty pro vnitřní vrstvy.

Pokud je výkonová a pozemní rovina umístěna vedle sebe, výsledkem bude meziplánová kapacita, která obvykle pracuje ve váš prospěch. Tato kapacita se přizpůsobuje oblasti vaší desky plošných spojů a její dielektrické konstantě a je nepřímo úměrná vzdálenosti mezi rovinami. Tato kapacita funguje dobře k obsluze integrovaných obvodů, které splňují požadavky na nestálý napájecí proud.

Rychlé signály jsou ideálně uloženy ve vnitřních vrstvách vícevrstvých desek plošných spojů, aby obsahovaly EMI generované stopami.

Čím vyšší jsou frekvence na desce zpracovávány, tím přísnější musí být tyto ideální požadavky dodržovány. Nízkorýchlostní návrhy pravděpodobně uniknou s menším počtem vrstev nebo dokonce s jednou vrstvou, zatímco vysokorychlostní a RF návrhy vyžadují složitější návrh DPS se strategičtějším nasazením DPS.

Například vysokorychlostní konstrukce jsou náchylnější k efektu kůže-což je pozorování, že při vysokých frekvencích tok proudu nepronikne celým tělem vodiče, což zase znamená, že se snižuje mezní užitek pro zvýšení tloušťka mědi na určité frekvenci, protože zvláštní objem vodiče stejně nebude využit. Přibližně na 100 MHz je hloubka kůže (tloušťka proudu protékajícího vodičem) přibližně 7 um, což znamená i standardní 1 oz. silné signální vrstvy jsou nedostatečně využívány.

Krok 11: Boční poznámka k Vias

Via tvoří spojení mezi různými vrstvami vícevrstvé desky plošných spojů.

Použité typy průchodek ovlivní náklady na výrobu desek plošných spojů. Výroba slepých/zakopaných průchodek je dražší než průchodek skrz otvory. Průchozí otvor přes razníky skrz celou desku plošných spojů, končící v nejnižší vrstvě. Zahrabané průchodky jsou skryty uvnitř a propojují pouze vnitřní vrstvy, zatímco slepé průchodky začínají na jedné straně desky plošných spojů, ale končí před druhou stranou. Průchozí otvory jsou nejlevnější a nejjednodušší na výrobu, takže pokud se optimalizují z hlediska nákladů na průchozí otvory.

Krok 12: Výroba a montáž DPS

Nyní, když byla deska navržena, budete chtít odeslat návrh jako soubory Gerber z vašeho vybraného nástroje EDA a poslat je do výrobního domu.

Nechal jsem si vyrobit desky od ALLPCB, ale k výrobě můžete použít jakýkoli obchod s deskami. Důrazně bych doporučil použít PCB Shopper ke srovnání cen při rozhodování, který deskový dům si vybrat pro výrobu - abyste mohli porovnávat ceny a možnosti.

Některé z deskových domů také nabízejí sestavení desek plošných spojů, které budete pravděpodobně potřebovat, pokud chcete implementovat tento design, protože používá převážně SMD a dokonce i QFN díly.

Krok 13: To je vše, lidi

Tato vývojová deska se nazývá „Clouduino Stratus“, vývojová deska založená na ESP8266, kterou jsem navrhl pro urychlení procesu prototypování při spuštění hardwaru/IOT.

Je to stále velmi raná iterace designu, s novými revizemi již brzy.

Doufám, že jste se z tohoto průvodce hodně naučili!: D

Krok 14: Bonus: Komponenty, Gerbers, Soubory návrhu a Poděkování

[Mikrokontrolér]

1x ESP12F

[Periferie]

1 x MCP23S17 GPIO Expander (QFN)

1 x MCP3208 ADC (SOIC)

[Konektory a propojení]

1 x FT231XQ USB na sériový port (QFN)

1 x minikonektor USB-B

2 x 16pinový konektor pro ženy/muže

[Napájení] 1 x regulátor AMS1117-3.3 (SOT-223-3)

[Ostatní]

1 x ECQ10A04-F Dual Schottky Barrier (TO-252)

2 x BC847W (SOT323)

7 x 10K 1% SMD 0603 Rezistory

2 x 27 ohmů 1% SMD 0603 Rezistory

3 x 270 ohmů 1% SMD 0603 Rezistory

2 x 470 ohmů 1% SMD 0603 Rezistory

3 x 0,1uF 50V SMD 0603 kondenzátor

2 x 10uF 50V SMD 0603 kondenzátor

1 x 1uF 50V SMD 0603 kondenzátor

2 x 47pF 50V SMD 0603 kondenzátor

1 x SMD LED 0603 zelená

1 x SMD LED 0603 žlutá

1 x SMD LED 0603 modrá

2 x taktový spínač OMRON BF-3 1000 THT

1 x feritový korálek 600/100mhz SMD 0603

[Poděkování] Grafy ADC s laskavým svolením TI App Notes

Benchmark MCU:

PCB Ilustrace: Fineline