Oblikovanje razvojne plošče za mikrokrmilnik: 14 korakov (s slikami)

2024 Avtor: John Day | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2024-01-30 12:05

Ali ste izdelovalec, hobist ali heker, ki vas zanima prehod od projektov perfboard, DIP IC in doma narejenih PCB do večplastnih PCB, ki jih izdelujejo hiše iz plošč in SMD embalaža, pripravljena za množično proizvodnjo? Potem je to navodilo za vas!

V tem priročniku je podrobno opisano, kako se lotiti oblikovanja večplastnega tiskanega vezja, na primer za razvojno ploščo mikrokrmilnika.

Za ustvarjanje shem in postavitve tiskanega vezja za to dev ploščo sem uporabil KiCAD 5.0, ki je brezplačno in odprtokodno orodje EDA.

Če niste seznanjeni s KiCAD -om ali potekom dela za postavitev tiskanih vezij, so vaje Chrisa Gamella v YouTubu zelo dober začetek.

EDIT: Nekatere fotografije se preveč povečajo, samo kliknite sliko, če si želite ogledati celotno sliko:)

1. korak: Pomislite na embalažo komponent

Naprave za površinsko montažo (SMD) je mogoče namestiti na tiskano vezje s strojem za izbiro in namestitev, kar avtomatizira postopek montaže. PCB lahko nato speljete skozi pečico za ponovno polnjenje ali stroj za spajkanje valov, če imate tudi komponente skozi luknje.

Zmanjšajo se tudi komponentni vodi za manjše SMD, kar ima za posledico bistveno nižjo impedanco, induktivnost in EMI, kar je zelo dobro, zlasti za RF in visokofrekvenčne zasnove.

Prehod na površinsko montažo izboljša tudi mehanske zmogljivosti in robustnost, kar je pomembno za testiranje vibracij in mehanskih obremenitev.

Korak: Izberite svoj mikrokrmilnik

V središču vsake razvojne plošče mikrokrmilnika, tako kot Arduino in njegovi derivati, je mikrokrmilnik. V primeru Arduino Uno je to ATmega 328P. Za našo ploščo za razvijalce bomo uporabljali ESP8266.

Je poceni, deluje pri 80 MHz (in ga je mogoče overclockati na 160 MHz) IN ima vgrajen podsistem WiFi. Ko se uporablja kot samostojen mikrokrmilnik, lahko izvaja nekatere operacije do 170 -krat hitreje kot Arduino.

3. korak: Izberite pretvornik USB v serijski pretvornik

Mikrokrmilnik bo potreboval določen način za vmesnik z računalnikom, tako da lahko vanj naložite svoje programe. To običajno dosežemo z zunanjim čipom, ki skrbi za prevajanje med diferencialnimi signali, ki jih uporabljajo vrata USB na vašem računalniku, in enosmernim signaliziranjem, ki je na voljo na večini mikrokrmilnikov prek njihovih serijskih komunikacijskih zunanjih naprav, kot je UART.

V našem primeru bomo uporabili FT230X iz FTDI. USB -serijski čipi iz FTDI so ponavadi dobro podprti v večini operacijskih sistemov, zato je to varna stava za razvojno ploščo. Priljubljene alternative (cenejše možnosti) vključujejo CP2102 iz SiLabs in CH340G.

4. korak: Izberite svojega regulatorja

Plošča bo morala nekje dobiti napajanje - in v večini primerov boste to moč dobili prek linearnega regulatorja IC. Linearni regulatorji so poceni, enostavni in čeprav niso tako učinkoviti kot shema s preklopnim načinom, bodo ponudili čisto moč (manj hrupa) in enostavno integracijo.

AMS1117 je najbolj priljubljen linearni regulator, ki se uporablja v večini razvojnih plošč, in precej spodobna izbira tudi za našo razvojno ploščo.

5. korak: Izberite svojo shemo napajanja ALI

Če želite uporabniku omogočiti, da napaja razvojno ploščo prek USB -ja in ponuja tudi vnos napetosti skozi enega od zatičev na plošči, boste potrebovali način izbire med dvema konkurenčnima napetostima. To je najpreprosteje doseženo z uporabo diod, ki delujejo tako, da omogočajo prehod le višje vhodne napetosti in napajajo preostanek vezja.

V našem primeru imamo dvojno schottky pregrado, ki za ta namen vključuje dve schottky diodi na enem paketu.

6. korak: Izberite svoje periferne čipe (če obstajajo)

V vmesnik z izbranim mikrokrmilnikom lahko dodate čipe, da izboljšate uporabnost ali funkcionalnost, ki jo vaša dev deska ponuja svojim uporabnikom.

V našem primeru ima ESP8266 samo en analogni vhodni kanal in zelo malo uporabnih GPIO.

Da bi to odpravili, bomo dodali zunanji analogno -digitalni pretvorniški IC in IC -razširitveni GPIO.

Izbira ADC je običajno kompromis med menjalnim tečajem ali hitrostjo in ločljivostjo. Višje ločljivosti niso nujno boljše, saj bodo čipi, ki imajo višje ločljivosti, ker uporabljajo različne tehnike vzorčenja, pogosto zelo počasni. Tipični SAR ADC imajo vzorčenje več kot sto tisoč vzorcev na sekundo, medtem ko ADC-ji z višjo ločljivostjo Delta Sigma običajno zmorejo le nekaj vzorcev na sekundo-svet stran od hitrih ADC-jev SAR in bliskovito hitrih cevovodnih ADC-jev.

MCP3208 je 12-bitni ADC z 8 analognimi kanali. Deluje lahko kjer koli med 2,7 V-5,5 V in ima največjo hitrost vzorčenja 100 k / s.

Dodatek priljubljenega razširjevalnika GPIO MCP23S17 povzroči, da je za uporabo na voljo 16 zatičev GPIO.

7. korak: Oblikovanje vezja

Vezje za napajanje uporablja dve schottky diodi, ki zagotavljata preprosto OR-ing funkcijo za vnos energije. To postavlja bitko med 5V, ki prihaja iz vrat USB, in karkoli želite dati v pin VIN - zmagovalec elektronske bitke je na vrhu in napaja regulator AMS1117. Skromna LED SMD služi kot pokazatelj, da se električna energija dejansko prenaša na preostalo ploščo.

Vezje USB vmesnika vsebuje feritno kroglico, ki preprečuje, da bi se zalutani EMI in hrupni signali ure sevali navzdol proti uporabnikovemu računalniku. Serijski upori na podatkovnih linijah (D+ in D-) zagotavljajo osnovni nadzor hitrosti roba.

ESP8266 uporablja GPIO 0, GPIO 2 in GPIO 15 kot posebne vhodne zatiče, pri branju pa prebere njihovo stanje, da ugotovi, ali naj se zažene v načinu programiranja, kar vam omogoča serijsko komunikacijo za programiranje načina zagona s čipom ali bliskavice, ki zažene vaš program. Med postopkom zagona morata biti GPIO 2 in GPIO 15 na visoki logiki, logika pa na nizki. Če je GPIO 0 pri zagonu nizek, ESP8266 odstopi od nadzora in vam omogoča shranjevanje programa v bliskovnem pomnilniku, ki je povezan z modulom. Če je GPIO 0 visok, ESP8266 zažene zadnji program, shranjen v bliskavici, in pripravljeni ste za uporabo.

V ta namen naša razvojna plošča ponuja stikala za zagon in ponastavitev, ki uporabnikom omogočajo preklop stanja GPIO 0 in ponastavitev naprave, da čip preklopijo v želeni način programiranja. Vlečni upor zagotavlja, da se naprava privzeto zažene v običajnem zagonskem načinu, pri čemer se zažene zadnji shranjeni program.

8. korak: Oblikovanje in postavitev tiskanega vezja

Postavitev tiskanega vezja postane bolj kritična, ko so vključeni hitri ali analogni signali. Zlasti analogni IC so občutljivi na težave s hrupom tal. Zemeljske ravnine lahko zagotovijo stabilnejšo referenco za signale, ki nas zanimajo, zmanjšajo hrup in motnje, ki jih običajno povzročijo zanke na tleh.

Analogne sledi je treba hraniti ločeno od hitrih digitalnih sledi, kot so diferencialne podatkovne linije, ki so del standarda USB. Sledovi diferencialnega podatkovnega signala morajo biti čim krajši in ustrezati dolžini sledi. Izogibajte se zavojem in viam, da zmanjšate odseve in nihanja impedance.

Uporaba konfiguracije zvezdice za napajanje naprav (ob predpostavki, da še ne uporabljate ravnine napajanja) prav tako pomaga zmanjšati hrup z odpravo trenutnih povratnih poti.

9. korak: PCB Stack-Up

Naša plošča za razvijalce je zgrajena na 4 -plastnem nizu PCB -jev z namensko ravnino napajanja in ravnino tal.

Vaš "stack-up" je vrstni red plasti na vašem tiskanem vezju. Razporeditev slojev vpliva na skladnost vaše zasnove z EMI, pa tudi na celovitost signala vašega vezja.

Dejavniki, ki jih je treba upoštevati pri povečevanju PCB, vključujejo:

1. Število plasti
2. Vrstni red slojev
3. Razmik med plastmi
4. Namen vsake plasti (signal, ravnina itd.)
5. Debelina sloja
6. Stroški

Vsak nabor ima svoje prednosti in slabosti. 4 -slojna plošča bo proizvedla približno 15 dB manj sevanja kot dvoslojna zasnova. Večplastne plošče imajo večjo verjetnost popolne talne ravnine, zmanjšanje impedance tal in referenčnega hrupa.

10. korak: Več pomislekov glede plasti PCB in celovitosti signala

Signalne plasti bi morale biti v idealnem primeru poleg napajalne ali ozemljitvene ravnine, z minimalno razdaljo med signalno plastjo in ustrezno bližnjo ravnino. To optimizira povratno pot signala, ki gre skozi referenčno ravnino.

Napajalne in ozemljitvene ravnine se lahko uporabljajo za zaščito med plastmi ali za zaščito notranjih plasti.

Napajalna in ozemljitvena ravnina, ki sta postavljeni drug poleg drugega, bo povzročila medplonsko kapacitivnost, ki običajno deluje v vašo korist. Ta kapacitivnost se prilagaja površini vašega tiskanega vezja in njegovi dielektrični konstanti ter je obratno sorazmerna z razdaljo med ravninami. Ta kapacitivnost dobro deluje za IC -je, ki imajo nestanovitne napajalne zahteve.

Hitri signali so idealno shranjeni v notranjih plasteh večplastnih PCB -jev, da vsebujejo EMI, ki ga ustvarijo sledi.

Višje kot so frekvence na plošči, strožje je treba upoštevati te idealne zahteve. Z nizkimi hitrostmi se bo verjetno izognilo manj plasti ali celo enemu sloju, medtem ko visoke hitrosti in RF načini zahtevajo bolj zapleteno oblikovanje tiskanih vezij z bolj strateškim povezovanjem tiskanih vezij.

Modeli visoke hitrosti so na primer bolj dovzetni za učinek kože-to je opazovanje, da tok pri visokih frekvencah ne prodre skozi celotno telo prevodnika, kar posledično pomeni, da se zmanjšuje mejna uporabnost za povečanje debeline bakra pri določeni frekvenci, saj dodatna prostornina prevodnika tako ali tako ne bo uporabljena. Pri približno 100 MHz je globina kože (debelina toka, ki dejansko teče skozi prevodnik) približno 7um, kar pomeni celo standardnih 1 oz. debele signalne plasti so premalo izkoriščene.

11. korak: Stranska opomba o viasih

Vijaki tvorijo povezave med različnimi plastmi večplastnega tiskanega vezja.

Vrste uporabljenih vias bodo vplivale na stroške proizvodnje PCB. Izdelava slepih/zakopanih odprtin stane več kot skozi odprtine. Skozi luknjo skozi luknjice skozi celotno tiskano vezje, ki se konča na najnižji plasti. Vdolbinice so skrite v notranjosti in povezujejo le notranje plasti, slepe veje pa se začnejo na eni strani tiskanega vezja, vendar se končajo pred drugo stranjo. Prerez skozi luknje je najcenejši in najlažji za izdelavo, zato, če optimizirate za stroškovno rabo skozi luknje.

Korak 12: Izdelava in montaža tiskanih vezij

Zdaj, ko je bila plošča oblikovana, boste želeli obliko izpisati kot datoteke Gerber iz izbranega orodja EDA in jih poslati v hišo za izdelavo.

Svoje plošče sem izdelal pri ALLPCB, za izdelavo pa lahko uporabite katero koli ploščo. Priporočam, da uporabite PCB Shopper za primerjavo cen, ko se odločite, katero hišo izbrati za izdelavo - tako se lahko primerjate glede na cene in zmogljivosti.

Nekatere hiše ponujajo tudi montažo PCB, ki jo boste verjetno potrebovali, če želite izvesti to zasnovo, saj uporablja večinoma SMD in celo QFN dele.

13. korak: To so vsi ljudje

Ta razvojna plošča se imenuje "Clouduino Stratus", razvojna plošča na osnovi ESP8266, ki sem jo oblikoval za pospešitev procesa izdelave prototipov za zagon strojne opreme/IOT.

Še vedno je zelo zgodnja ponovitev zasnove, kmalu pa bodo nove revizije.

Upam, da ste se iz tega priročnika veliko naučili!: D

14. korak: Bonus: komponente, Gerbers, oblikovalske datoteke in priznanja

[Mikrokrmilnik]

1x ESP12F

[Zunanje naprave]

1 x MCP23S17 GPIO Expander (QFN)

1 x ADC MCP3208 (SOIC)

[Konektorji in vmesniki]

1 x FT231XQ USB v serijski (QFN)

1 x USB-B mini priključek

2 x 16-polni ženski/moški glavi

[Napajanje] 1 x AMS1117-3.3 Regulator (SOT-223-3)

[Drugi]

1 x ECQ10A04-F dvojna Schottkyjeva pregrada (TO-252)

2 x BC847W (SOT323)

7 x 10K 1% SMD 0603 upori

2 x 27 ohm 1% SMD 0603 upori

3 x 270 ohm 1% SMD 0603 upori

2 x 470 ohm 1% SMD 0603 upori

3 x 0,1uF 50V SMD 0603 Kondenzator

2 x 10uF 50V SMD 0603 Kondenzator

1 x 1uF 50V SMD 0603 Kondenzator

2 x 47pF 50V SMD 0603 Kondenzator

1 x SMD LED 0603 Zelena

1 x SMD LED 0603 Rumena

1 x SMD LED 0603 Modra

2 x Taktno stikalo OMRON BF-3 1000 THT

1 x feritna kroglica 600/100mhz SMD 0603

[Zahvala] Grafikoni ADC zahvaljujoč opombam aplikacije TI

Merilo uspešnosti MCU:

Ilustracije PCB: Fineline