Navrhovanie dosky pre vývoj mikrokontroléra: 14 krokov (s obrázkami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 11:59

Ste výrobca, nadšenec alebo hacker a zaujímate sa o krok ďalej od projektov zameraných na výrobu doskových dosiek, DIP integrovaných obvodov a domácich plošných spojov k viacvrstvovým doskám vyrobeným doskami a obalmi SMD pripravenými na sériovú výrobu? Potom je tento návod pre vás!

Táto príručka podrobne popíše postup pri navrhovaní viacvrstvovej dosky plošných spojov, pričom ako príklad použijeme dosku pre vývoj mikrokontroléra.

Na vytvorenie schém a rozloženia DPS pre túto vývojovú dosku som použil KiCAD 5.0, čo je bezplatný a otvorený zdrojový nástroj EDA.

Ak nie ste oboznámení s KiCADom alebo pracovným postupom pre rozloženie DPS, návody Chrisa Gamella na YouTube sú celkom dobrým miestom na začiatok.

ÚPRAVA: Niektoré fotografie sa príliš približujú, kliknutím na obrázok sa vám zobrazí celý obrázok:)

Krok 1: Zamyslite sa nad balením komponentov

Zariadenia na povrchovú montáž (SMD) je možné umiestniť na dosku plošných spojov automatom typu pick and place, čím sa automatizuje proces montáže. DPS potom môžete spustiť pomocou reflow pece alebo zariadenia na spájkovanie vlnou, ak máte aj komponenty s priechodnými otvormi.

Znížia sa aj súčiastkové zvody pre menšie SMD, čo má za následok podstatne nižšiu impedanciu, indukčnosť a EMI, čo je veľmi dobrá vec, najmä pre RF a vysokofrekvenčné prevedenia.

Cesta povrchovou montážou tiež zlepšuje mechanický výkon a odolnosť, čo je dôležité pre testovanie vibrácií a mechanického namáhania.

Krok 2: Vyberte si svoj mikrokontrolér

V srdci každej vývojovej dosky mikrokontroléra, ako Arduino a jeho deriváty, je mikrokontrolér. V prípade Arduino Uno je to ATmega 328P. Pre našu dosku pre vývojárov budeme používať ESP8266.

Je to veľmi lacné, beží na 80 MHz (a je možné ho pretaktovať na 160 MHz) A má vstavaný subsystém WiFi. Keď sa používa ako samostatný mikrokontrolér, môže vykonávať určité operácie až 170 -krát rýchlejšie ako Arduino.

Krok 3: Vyberte prevodník USB na sériový port

Mikrokontrolér bude potrebovať nejaký spôsob prepojenia s vašim počítačom, aby ste doň mohli načítať svoje programy. To sa zvyčajne dosahuje externým čipom, ktorý sa stará o preklad medzi diferenciálnymi signálmi používanými portom USB vo vašom počítači a signalizáciou na jednom konci, ktorá je k dispozícii na väčšine mikrokontrolérov prostredníctvom ich sériových komunikačných periférií, ako je UART.

V našom prípade použijeme FT230X od FTDI. Čipy USB na sériové pripojenie od spoločnosti FTDI majú tendenciu byť dobre podporované vo väčšine operačných systémov, takže je to bezpečná voľba pre vývojovú dosku. Medzi obľúbené alternatívy (lacnejšie možnosti) patrí CP2102 od SiLabs a CH340G.

Krok 4: Vyberte si regulátor

Doska bude musieť niekde získať energiu - a vo väčšine prípadov nájdete túto energiu poskytovanú pomocou lineárneho regulátora IC. Lineárne regulátory sú lacné, jednoduché a napriek tomu, že nie sú také účinné ako schéma v spínanom režime, ponúknu čistý výkon (menej hluku) a jednoduchú integráciu.

AMS1117 je najobľúbenejší lineárny regulátor používaný vo väčšine vývojových dosiek a je to celkom slušná voľba aj pre našu vývojovú dosku.

Krok 5: Vyberte si schému napájania ALEBO

Ak chcete, aby používateľ napájal dosku pre vývojárov cez USB a ponúkal aj vstup napätia cez jeden z pinov na doske, budete potrebovať spôsob, ako si vybrať medzi dvoma konkurenčnými napätiami. To sa najľahšie dosahuje použitím diód, ktoré pracujú tak, aby umožňovali prechod iba vyššieho vstupného napätia a napájanie zvyšku obvodu.

V našom prípade máme dvojitú bariéru schottky, ktorá na tento účel obsahuje dve schottkyho diódy v jednom balení.

Krok 6: Vyberte si svoje periférne čipy (ak existujú)

Do rozhrania s vami zvoleným mikrokontrolérom môžete pridať čipy, aby ste zvýšili použiteľnosť alebo funkčnosť, ktorú ponúka vaša doska pre vývojárov svojim používateľom.

V našom prípade má ESP8266 iba jeden analógový vstupný kanál a veľmi málo použiteľných GPIO.

Aby sme to vyriešili, pridáme externý analógovo -digitálny prevodník IC a integrovaný obvod GPIO Expander.

Voľba ADC je zvyčajne kompromisom medzi konverzným pomerom alebo rýchlosťou a rozlíšením. Vyššie rozlíšenia nemusia byť nevyhnutne lepšie, pretože čipy s vyšším rozlíšením, pretože používajú rôzne techniky vzorkovania, budú mať často veľmi nízke vzorkovacie frekvencie. Typické ADC SAR majú vzorkovaciu frekvenciu presahujúcu státisíce vzoriek za sekundu, zatiaľ čo ADC Delta Sigma s vyšším rozlíšením sú zvyčajne schopné iba niekoľko vzoriek za sekundu-vzdialeného od rýchlych ADC SAR a bleskovo rýchlych ADC.

MCP3208 je 12-bitový ADC s 8 analógovými kanálmi. Môže pracovať kdekoľvek od 2,7 V do 5,5 V a má maximálnu vzorkovaciu frekvenciu 100 xps.

Po pridaní populárneho expandéra GPIO MCP23S17 bude k dispozícii na použitie 16 pinov GPIO.

Krok 7: Návrh obvodu

Obvod dodávky energie používa dve schottkyho diódy na zabezpečenie jednoduchej funkcie OR-ing pre vstup energie. Tým sa nastaví boj medzi 5 V pochádzajúcim z portu USB a tým, čo chcete poskytnúť kolíku VIN - víťaz elektronickej bitky príde na vrchol a poskytne napájanie regulátoru AMS1117. Skromná LED dióda SMD slúži ako indikátor, že energia je v skutočnosti dodávaná do zvyšku dosky.

Obvod rozhrania USB je vybavený feritovými perličkami, ktoré zabraňujú rozptýlenému elektromagnetickému rušeniu a rušivým hodinovým signálom smerujúcim nadol k počítaču používateľa. Sériové odpory na dátových linkách (D+ a D-) poskytujú základné ovládanie rýchlosti okraja.

ESP8266 používa GPIO 0, GPIO 2 a GPIO 15 ako špeciálne vstupné piny, ktoré čítajú ich stav pri zavádzaní a určujú, či sa má začať v režime programovania, čo vám umožní komunikovať cez sériové číslo a naprogramovať režim bootovania s čipom alebo bleskom, ktorý spustí váš program.. GPIO 2 a GPIO 15 musia počas bootovania zostať na logickej úrovni, respektíve na logickej úrovni. Ak je pri spustení GPIO 0 nízka, ESP8266 sa vzdá kontroly a umožní vám uložiť program do pamäte Flash prepojenej s modulom. Ak je GPIO 0 vysoká, ESP8266 spustí posledný program uložený vo formáte Flash a môžete začať.

Na tento účel naša vývojová doska ponúka prepínače bootovania a resetovania, ktoré umožňujú používateľom prepínať stav GPIO 0 a resetovať zariadenie, aby čip zaradili do požadovaného režimu programovania. Vyťahovací odpor zaisťuje, že sa zariadenie v predvolenom nastavení uvedie do normálneho režimu spustenia, čím sa spustí naposledy uložený program.

Krok 8: Návrh a rozloženie DPS

Rozloženie PCB sa stáva kritickejším, keď sú zapojené vysokorýchlostné alebo analógové signály. Zvlášť analógové integrované obvody sú citlivé na problémy so zemným hlukom. Pozemné lietadlá majú schopnosť poskytovať stabilnejšie referenčné signály pre požadované signály, čím sa znižuje hluk a rušenie typicky spôsobené pozemnými slučkami.

Analógové stopy sa musia držať mimo vysokorýchlostných digitálnych stôp, ako sú diferenciálne dátové linky, ktoré sú súčasťou štandardu USB. Diferenčné dátové signálové stopy by mali byť čo najkratšie a mali by byť zhodné s dĺžkou stopy. Vyhnite sa zákrutám a priechodom, aby ste znížili odrazy a odchýlky impedancie.

Použitie hviezdicovej konfigurácie na napájanie zariadení (za predpokladu, že ešte nepoužívate výkonovú rovinu) tiež pomáha znižovať hluk tým, že eliminuje prúdové spätné cesty.

Krok 9: Stohovanie DPS

Naša doska pre vývojárov je postavená na 4 -vrstvovom zväzku PCB s vyhradenou výkonovou a pozemnou rovinou.

Váš „stack-up“je poradie vrstiev na vašej DPS. Usporiadanie vrstiev ovplyvňuje súlad EMI s vašim návrhom a tiež integritu signálu vášho obvodu.

Faktory, ktoré je potrebné vziať do úvahy pri hromadení PCB, by zahŕňali:

1. Počet vrstiev
2. Poradie vrstiev
3. Rozstup medzi vrstvami
4. Účel každej vrstvy (signál, rovina atď.)
5. Hrúbka vrstvy
6. Náklady

Každé zoskupenie má svoju vlastnú sadu výhod a nevýhod. Štvorvrstvová doska bude produkovať zhruba o 15 dB menej žiarenia ako dvojvrstvová konštrukcia. Viacvrstvové dosky majú väčšiu pravdepodobnosť úplnej základnej roviny, znižujúcej sa impedancie zeme a referenčného šumu.

Krok 10: Ďalšie úvahy o vrstvách DPS a integrite signálu

Signálne vrstvy by v ideálnom prípade mali byť vedľa výkonovej alebo pozemnej roviny s minimálnou vzdialenosťou medzi signálnou vrstvou a ich príslušnou blízkou rovinou. To optimalizuje cestu návratu signálu, ktorá prechádza referenčnou rovinou.

Výkonové a pozemné roviny je možné použiť na zabezpečenie tienenia medzi vrstvami alebo ako štíty pre vnútorné vrstvy.

Napájacia a pozemná rovina, ak sú umiestnené vedľa seba, budú mať za následok medziplonovú kapacitu, ktorá zvyčajne pracuje vo váš prospech. Táto kapacita sa prispôsobuje oblasti vašej dosky plošných spojov, ako aj jej dielektrickej konštante, a je nepriamo úmerná vzdialenosti medzi rovinami. Táto kapacita dobre slúži na integrované obvody, ktoré spĺňajú požiadavky na nestály napájací prúd.

Rýchle signály sú ideálne uložené vo vnútorných vrstvách viacvrstvových PCB, aby obsahovali EMI generované stopami.

Čím vyššie frekvencie sú na doske spracovávané, tým prísnejšie je potrebné tieto ideálne požiadavky dodržiavať. Nízkorýchlostné návrhy sa pravdepodobne zaobídu s menším počtom vrstiev alebo dokonca s jednou vrstvou, zatiaľ čo vysokorýchlostné a vysokofrekvenčné návrhy vyžadujú zložitejší návrh DPS so strategickejším usporiadaním DPS.

Napríklad vysokorýchlostné konštrukcie sú náchylnejšie na kožný efekt-čo je pozorovanie, že pri vysokých frekvenciách tok prúdu nepreniká celým telom vodiča, čo znamená, že dochádza k znižovaniu hraničnej užitočnosti zvyšovania hrúbka medi pri určitej frekvencii, pretože extra objem vodiča sa aj tak nevyužije. Približne na 100 MHz je hĺbka pokožky (hrúbka prúdu pretekajúceho vodičom) asi 7 μm, čo znamená dokonca aj štandardnú 1 oz. hrubé signálne vrstvy sú málo využívané.

Krok 11: Bočná poznámka k Vias

Vie tvoria spojenia medzi rôznymi vrstvami viacvrstvovej DPS.

Typy použitých priechodiek ovplyvnia náklady na výrobu DPS. Výroba zaslepených/zakopaných priechodiek je drahšia ako priechodiek. Priechodný otvor cez dierky cez celú DPS, ukončený v najnižšej vrstve. Zahrabané priechodky sú skryté vo vnútri a prepájajú iba vnútorné vrstvy, zatiaľ čo slepé priechodky začínajú na jednej strane DPS, ale končia pred druhou stranou. Priechodné priechodky sú najlacnejšie a najľahšie sa vyrábajú, takže ak sa optimalizujú z hľadiska nákladov na priechodné priechodky.

Krok 12: Výroba a montáž PCB

Teraz, keď je doska navrhnutá, budete chcieť výstup dizajnu ako súbory Gerber z vybraného nástroja EDA a odoslať ich na výrobu do dozorného domu.

Nechal som svoje dosky vyrobiť od ALLPCB, ale na výrobu môžete použiť akýkoľvek obchod s doskami. Vrelo odporúčam použiť PCB Shopper na porovnanie cien pri rozhodovaní, ktorý penzión si vybrať pre výrobu - aby ste mohli porovnávať ceny a možnosti.

Niektoré z doskových domov ponúkajú aj montáž PCB, ktorú budete pravdepodobne potrebovať, ak chcete implementovať tento dizajn, pretože používa väčšinou diely SMD a dokonca aj QFN.

Krok 13: To je všetko, ľudia

Táto vývojová doska sa nazýva „Clouduino Stratus“, vývojová doska založená na ESP8266, ktorú som navrhol na urýchlenie procesu prototypovania pri spustení hardvéru/IOT.

Je to stále veľmi raná iterácia dizajnu, pričom nové revízie prídu čoskoro.

Dúfam, že ste sa z tohto sprievodcu veľa naučili!: D

Krok 14: Bonus: Komponenty, Gerbery, súbory návrhu a poďakovania

[Mikrokontrolér]

1x ESP12F

[Periférne zariadenia]

1 x MCP23S17 GPIO Expander (QFN)

1 x MCP3208 ADC (SOIC)

[Konektory a rozhrania]

1 x FT231XQ USB na sériový port (QFN)

1 x mini konektor USB-B

2 x 16-kolíkové hlavičky

[Napájanie] 1 x regulátor AMS1117-3,3 (SOT-223-3)

[Ostatné]

1 x duálna schottkyho bariéra ECQ10A04-F (TO-252)

2 x BC847W (SOT323)

7 x 10K 1% SMD 0603 Rezistory

2 x 27 ohmov 1% SMD 0603 Rezistory

3 x 270 ohmov 1% SMD 0603 Rezistory

2 x 470 ohmov 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 žltá

1 x SMD LED 0603 modrá

2 x Taktový spínač OMRON BF-3 1 000 THT

1 x feritový korálik 600/100mhz SMD 0603

[Poďakovanie] Grafy ADC so súhlasom aplikácie TI App Notes

Benchmark MCU:

Ilustrácie DPS: Fineline