Mikrokontrolleri arendusplaadi kujundamine: 14 sammu (piltidega)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Viimati modifitseeritud: 2024-01-30 08:48

Kas olete tegija, harrastaja või häkker, kes on huvitatud parfüümiprojektide, DIP -integreerimisseadmete ja kodus valmistatud PCB -de tõstmisest mitmekihilisteks trükkplaatideks, mille on valmistanud laudamajad ja masstootmiseks valmis SMD -pakendid? Siis on see juhend teile!

Selles juhendis kirjeldatakse üksikasjalikult, kuidas kavandada mitmekihilist trükkplaati, kasutades näitena mikrokontrolleri arendusplaati.

Selle arendusplaadi skeemide ja trükkplaatide paigutuse loomiseks kasutasin KiCAD 5.0, mis on tasuta ja avatud lähtekoodiga EDA tööriist.

Kui te ei tunne KiCAD -i ega PCB -paigutuse töövoogu, on Chris Gamelli õpetused YouTube'is alustamiseks päris head.

EDIT: Mõned fotod lähenevad liiga palju, täieliku pildi nägemiseks klõpsake lihtsalt pilti:)

Samm: mõelge komponentide pakendamisele

Pinnakinnitusseadmed (SMD) saab PCB -le paigutada valimis- ja paigutusmasina abil, automatiseerides kokkupaneku protsessi. Seejärel saate trükkplaadi juhtida läbi tagasivooluahju või lainejootmismasina, kui teil on ka läbivate aukude komponendid.

Samuti vähendatakse väiksemate SMD -de komponentjuhtmeid, mille tulemuseks on oluliselt madalam takistus, induktiivsus ja EMI, mis on väga hea asi, eriti raadiosagedus- ja kõrgsageduskonstruktsioonide puhul.

Pinnale paigaldamise marsruudi läbimine parandab ka mehaanilist jõudlust ja vastupidavust, mis on oluline vibratsiooni ja mehaanilise koormustestimise jaoks.

Samm: valige oma mikrokontroller

Iga mikrokontrolleri arendusplaadi, nagu Arduino ja selle derivaatide, keskmes on mikrokontroller. Arduino Uno puhul on see ATmega 328P. Meie arendusplaadi jaoks kasutame ESP8266.

See on määrdunud odav, töötab 80MHz (ja on kiirendatav kuni 160MHz) JA sellel on sisseehitatud WiFi alamsüsteem. Kui seda kasutatakse eraldiseisva mikrokontrollerina, saab see teatud toiminguid teha kuni 170 korda kiiremini kui Arduino.

Samm: valige USB -jadamuundur

Mikrokontroller vajab arvutiga liidestamist, nii et saate oma programmid sellele laadida. Seda teeb tavaliselt väline kiip, mis hoolitseb teie arvuti USB -porti kasutatavate diferentsiaalsignaalide ja ühepoolse signaalimise vahel, mis on saadaval enamikul mikrokontrolleritel nende jadaühenduse välisseadmete, näiteks UART, vahel.

Meie puhul kasutame FTDI FT230X -i. FTDI USB -jadakiibid on enamikus operatsioonisüsteemides hästi toetatud, nii et see on turvaline panus arendajaplaadi jaoks. Populaarsete alternatiivide (odavamate valikute) hulka kuuluvad SiLabsi CP2102 ja CH340G.

Samm: valige oma regulaator

Tahvel peab kuskilt toite saama - ja enamikul juhtudel leiate selle võimsuse lineaarse regulaatori IC kaudu. Lineaarsed regulaatorid on odavad, lihtsad ja kuigi mitte nii tõhusad kui lülitatud režiimiskeemid, pakuvad puhast võimsust (vähem müra) ja lihtsat integreerimist.

AMS1117 on kõige populaarsem lineaarne regulaator, mida kasutatakse enamikes arendusplaatides, ja üsna korralik valik ka meie arendusplaadile.

Samm 5: Valige oma energiatarbimise skeem

Kui kavatsete kasutajal dev -plaati USB kaudu toita ja pakute ka pinge sisendit ühe tahvli tihvti kaudu, peate valima kahe konkureeriva pinge vahel. Seda on kõige lihtsam saavutada dioodide abil, mis võimaldavad läbida ainult kõrgemat sisendpinget ja toita ülejäänud vooluahelat.

Meie puhul on meil kahekordne Schottky barjäär, mis sisaldab sel eesmärgil ühel pakendil kahte schottky dioodi.

Samm: valige oma perifeersed kiibid (kui neid on)

Saate oma valitud mikrokontrolleriga liidesesse lisada kiipe, et parandada kasutatavust või funktsionaalsust, mida teie arendusplaat oma kasutajatele pakub.

Meie puhul on ESP8266 -l ainult üks analoogsisendikanal ja väga vähe kasutatavaid GPIO -sid.

Selle lahendamiseks lisame digitaalse muunduri IC -le välise analoogi ja GPIO -laiendus -IC.

ADC valimine on tavaliselt kompromiss konversioonimäära või kiiruse ja eraldusvõime vahel. Suuremad eraldusvõimed ei pruugi olla paremad, sest kiipidel, millel on suurem eraldusvõime, kuna nad kasutavad erinevaid proovivõtumeetodeid, on sageli väga aeglane proovivõtu sagedus. Tüüpiliste SAR-i ADC-de proovivõtu kiirus ületab sadu tuhandeid proove sekundis, samas kui kõrgema eraldusvõimega Delta Sigma ADC-d suudavad tavaliselt saada vaid käputäis proove sekundis-maailmas, mis asub kiirete SAR-i ja välkkiirete torujuhtmetega.

MCP3208 on 12-bitine ADC, millel on 8 analoogkanalit. See võib töötada kõikjal vahemikus 2,7 V kuni 5,5 V ja selle maksimaalne proovivõtu kiirus on 100 kps.

Populaarse GPIO -laiendi MCP23S17 lisamise tulemusel on saadaval 16 GPIO -tihvti.

7. samm: vooluahela kujundus

Toiteahel kasutab kahte Schottky dioodi, et pakkuda toite sisendile lihtsat OR-funktsiooni. See loob lahingu USB -pordist tuleva 5 V ja kõikide VIN -kontaktidele edastatavate vahel - elektronlahingu võitja tuleb välja ja annab toite AMS1117 regulaatorile. Tagasihoidlik SMD LED on indikaator selle kohta, et tegelikult tarnitakse ülejäänud plaadile energiat.

USB -liidese ahelal on ferriidist helmes, mis hoiab ära rikutud EMI ja mürarikkate kellasignaalide kiirgumise kasutaja arvuti poole. Andmeliinide (D+ ja D-) jadatakistid pakuvad põhilist serva kiiruse juhtimist.

ESP8266 kasutab GPIO 0, GPIO 2 ja GPIO 15 spetsiaalse sisendina, lugedes nende olekut käivitamisel, et teha kindlaks, kas alustada programmeerimisrežiimist, mis võimaldab teil jadaühenduse kaudu suhelda, et programmeerida kiip- või välkmälu alglaadimisrežiim, mis käivitab teie programmi. GPIO 2 ja GPIO 15 peavad alglaadimise ajal jääma vastavalt loogika kõrgele ja madalale loogikale. Kui GPIO 0 on käivitamisel madal, loobub ESP8266 juhtimisest ja võimaldab teil salvestada oma programmi moodulisse liidestatud välkmällu. Kui GPIO 0 on kõrge, käivitab ESP8266 viimase välgus salvestatud programmi ja olete valmis rullima.

Selleks pakub meie arendustahvel alglaadimis- ja lähtestuslüliteid, mis võimaldavad kasutajatel GPIO 0 olekut vahetada ja seadme lähtestada, et viia kiip soovitud programmeerimisrežiimi. Tõmbetakisti tagab, et seade käivitub vaikimisi tavarežiimi, käivitades viimati salvestatud programmi.

8. samm: trükkplaatide kujundus ja paigutus

PCB paigutus muutub kriitilisemaks, kui on kaasatud kiire või analoogsignaal. Eriti analoog -IC -d on maapinna müraga seotud probleemide suhtes tundlikud. Maapealsed lennukid on võimelised pakkuma huvipakkuvatele signaalidele stabiilsemat võrdlust, vähendades tavaliselt maapealsete silmuste põhjustatud müra ja häireid.

Analoogjäljed tuleb hoida eemal kiiretest digitaalsetest jälgedest, nagu näiteks USB -standardi osad diferentsiaalsed andmeliinid. Diferentsiaalsete andmesignaalide jäljed tuleks muuta võimalikult lühikeseks ja nende pikkus tuleks sobitada. Peegelduste ja takistuste muutuste vähendamiseks vältige pöördeid ja avasid.

Tähtkonfiguratsiooni kasutamine seadmete toiteks (eeldusel, et te veel ei kasuta toitetasandit) aitab vähendada ka müra, kõrvaldades praegused tagasivooluteed.

9. samm: trükkplaatide kogumine

Meie arendusplaat on ehitatud 4 -kihilisele PCB -virnale, millel on spetsiaalne võimsustasand ja aluspind.

Teie "virnastamine" on teie PCB kihtide järjekord. Kihtide paigutus mõjutab teie disaini vastavust EMI -le ja teie vooluahela signaali terviklikkust.

PCB kogumisel tuleks arvesse võtta järgmisi tegureid:

1. Kihtide arv
2. Kihtide järjekord
3. Vahekiht kihtide vahel
4. Iga kihi eesmärk (signaal, tasand jne)
5. Kihi paksus
6. Maksumus

Igal stack-upil on oma eelised ja puudused. Neljakihiline plaat tekitab umbes 15 dB vähem kiirgust kui kahekihiline disain. Mitmekihilistel plaatidel on suurema tõenäosusega täielik aluspind, vähenenud maapinna takistus ja võrdlusmüra.

Samm: rohkem kaalutlusi PCB kihtide ja signaali terviklikkuse kohta

Signaalikihid peaksid ideaaljuhul olema kas toite- või maatasandi kõrval, minimaalse kaugusega signaalikihi ja nende lähedase tasapinna vahel. See optimeerib signaali tagasitee, mis läbib võrdlustasandi.

Toite- ja maapealseid tasapindu saab kasutada kihtide vahel varjestamiseks või sisekihtide kaitsmiseks.

Võimsuse ja maandustasandi kõrvuti asetamisel tekib lennukitevaheline mahtuvus, mis tavaliselt töötab teie kasuks. See mahtuvus skaleerub teie PCB pindalaga ja selle dielektrilise konstandiga ning on pöördvõrdeline tasandite vahekaugusega. See mahtuvus toimib hästi selliste integraallülituste teenindamiseks, mille toitevool on volatiilne.

Kiired signaalid on ideaalis paigutatud mitmekihiliste PCBde sisemistesse kihtidesse, et sisaldada jälgede tekitatud EMI -d.

Mida kõrgemaid sagedusi laual käsitletakse, seda rangemaid neid ideaalseid nõudeid tuleb järgida. Madala kiirusega disainilahendused pääsevad tõenäoliselt vähemate kihtide või isegi ühe kihiga, samas kui suure kiirusega ja raadiosagedusdisainilahenduste puhul on vaja keerukamat PCB-disaini ja strateegilisemat trükkplaatide kogumist.

Näiteks suure kiirusega konstruktsioonid on naha mõju suhtes vastuvõtlikumad-see on tähelepanek, et kõrgetel sagedustel ei tungi vool läbi kogu juhi keha, mis omakorda tähendab, et suurendamine väheneb vase paksus teatud sagedusel, kuna juhi lisamahtu ei kasutata niikuinii. Ligikaudu 100 MHz sagedusel on naha sügavus (juhti tegelikult läbiva voolu paksus) umbes 7 um, mis tähendab isegi standardset 1 oz. paksud signaalikihid on alakasutatud.

11. samm: kõrvalteave Vias'i kohta

Vias moodustavad ühendused mitmekihilise trükkplaadi erinevate kihtide vahel.

Kasutatavad viatüübid mõjutavad PCB tootmise kulusid. Pimedate/mattunud klaaside tootmine maksab rohkem kui aukude kaudu. Läbiv auk stantside kaudu läbi kogu PCB, mis lõpeb madalaima kihiga. Maetud vias on peidetud sisse ja ühendavad ainult sisemisi kihte, samas kui pimedad avaused algavad PCB ühelt küljelt, kuid lõpevad enne teist külge. Läbi aukude on kõige odavamad ja hõlpsamini valmistatavad, nii et kui optimeerida kulude jaoks läbi aukude.

12. samm: trükkplaatide valmistamine ja kokkupanek

Nüüd, kui plaat on kujundatud, soovite oma valitud EDA tööriista kujunduse väljastada Gerberi failidena ja saata need laudamajja valmistamiseks.

Lasin oma plaadid valmistada ALLPCB -st, kuid valmistamiseks võite kasutada mis tahes laudade poodi. Soovitan tungivalt kasutada PCB Shopperit hindade võrdlemiseks, kui otsustate, milline laudamaja valmistamiseks valida - nii saate võrrelda hindade ja võimaluste osas.

Mõned laudamajad pakuvad ka trükkplaatide kokkupanekut, mida vajate tõenäoliselt selle disaini rakendamisel, kuna see kasutab enamasti SMD ja isegi QFN osi.

13. samm: see on kõik inimesed

Selle arendusplaadi nimi on "Clouduino Stratus", ESP8266 põhine arendusplaat, mille ma kavandasin riistvara/IOT käivitamise prototüüpimise kiirendamiseks.

See on endiselt disaini varajane kordamine, varsti tulevad uued parandused.

Loodan, et olete sellest juhendist palju õppinud!: D

14. samm: boonus: komponendid, parameetrid, kujundusfailid ja tunnustused

[Mikrokontroller]

1x ESP12F

[Välisseadmed]

1 x MCP23S17 GPIO Expander (QFN)

1 x MCP3208 ADC (SOIC)

[Pistikud ja liidesed]

1 x FT231XQ USB jadaliidesesse (QFN)

1 x USB-B minipistik

2 x 16-kontaktiga nais-/isaspäised

[Toide] 1 x AMS1117-3.3 regulaator (SOT-223-3)

[Teised]

1 x ECQ10A04-F kahekordne Schottky tõke (TO-252)

2 x BC847W (SOT323)

7 x 10K 1% SMD 0603 takistid

2 x 27 oomi 1% SMD 0603 takistid

3 x 270 oomi 1% SMD 0603 takistid

2 x 470 oomi 1% SMD 0603 takistid

3 x 0,1uF 50V SMD 0603 kondensaator

2 x 10uF 50V SMD 0603 kondensaatorit

1 x 1uF 50V SMD 0603 kondensaator

2 x 47pF 50V SMD 0603 kondensaator

1 x SMD LED 0603 roheline

1 x SMD LED 0603 kollane

1 x SMD LED 0603 sinine

2 x OMRON BF-3 1000 THT lülitit

1 x ferriithelmes 600/100 MHz SMD 0603

[Tänusõnad] ADC graafikud viisakalt TI rakenduse märkmetega

MCU võrdlusalus:

PCB illustratsioonid: Fineline