Disseny d'una placa de desenvolupament de microcontroladors: 14 passos (amb imatges)

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:14

Sou fabricant, aficionat o pirata informàtic interessat en passar de projectes perfboard, circuits integrats DIP i PCB fabricats a casa a PCB multicapa fabricats per cases de consells i envasos SMD preparats per a la producció en massa? Aleshores, aquest instructiu és per a vosaltres.

Aquesta guia detallarà com es pot dissenyar un PCB multicapa, utilitzant com a exemple una placa de desenvolupament de microcontrolador.

He utilitzat KiCAD 5.0, que és una eina EDA lliure i de codi obert, per crear l’esquema i el disseny de PCB d’aquesta placa de desenvolupament.

Si no esteu familiaritzat amb KiCAD ni el flux de treball per al disseny de PCB, els tutorials de Chris Gamell a YouTube són un bon lloc per començar.

EDITAR: algunes de les fotos s'apropen massa, només cal que feu clic a la imatge per veure la imatge completa:)

Pas 1: Penseu en l'embalatge de components

Els dispositius de muntatge superficial (SMD) es poden col·locar en un PCB mitjançant una màquina pick and place, automatitzant el procés de muntatge. A continuació, podeu fer passar el PCB a través d’un forn de reflux o d’una màquina de soldar per ones, si també teniu components de forats passants.

Els cables de components per a SMD més petits també es redueixen, cosa que resulta en una impedància, una inductància i un EMI substancialment més baixos, cosa molt bona, sobretot per als dissenys de RF i alta freqüència.

Anar per la ruta de muntatge a la superfície també millora el rendiment mecànic i la robustesa, que és important per a les proves de vibracions i esforços mecànics.

Pas 2: trieu el microcontrolador

Al centre de totes les plaques de desenvolupament de microcontroladors, com l’Arduino i els seus derivats, hi ha un microcontrolador. En el cas de l’Arduino Uno, es tracta de l’ATmega 328P. Per al nostre tauler de desenvolupament, farem servir l’ESP8266.

És barat, funciona a 80 MHz (és overclockable a 160 MHz) I té un subsistema WiFi integrat. Quan s’utilitza com a microcontrolador autònom, pot executar certes operacions fins a 170 vegades més ràpid que un Arduino.

Pas 3: trieu el convertidor USB a sèrie

Un microcontrolador necessitarà alguna manera de relacionar-se amb l’ordinador perquè pugueu carregar els vostres programes. Normalment, això s’aconsegueix mitjançant un xip extern, que s’encarrega de traduir entre els senyals diferencials que fa servir el port USB de l’ordinador i la senyalització d’un sol extrem disponible a la majoria de microcontroladors a través dels seus perifèrics de comunicacions en sèrie, com ara UART.

En el nostre cas, utilitzarem un FT230X, de FTDI. Els xips USB a sèrie de FTDI solen estar ben compatibles amb la majoria de sistemes operatius, de manera que és una aposta segura per a una placa de desenvolupament. Les alternatives més populars (opcions més econòmiques) inclouen el CP2102 de SiLabs i el CH340G.

Pas 4: trieu el vostre regulador

El tauler haurà de passar energia en algun lloc i, en la majoria dels casos, trobareu aquesta potència mitjançant un regulador lineal IC. Els reguladors lineals són econòmics, senzills i, tot i que no són tan eficients com un esquema de mode commutat, ofereixen una potència neta (menys soroll) i una fàcil integració.

L’AMS1117 és el regulador lineal més popular que s’utilitza a la majoria de plaques de desenvolupament, i també és una opció bastant decent per a la nostra placa de desenvolupament.

Pas 5: trieu el vostre esquema d’energia o d’energia

Si voleu que l’usuari alimenti la placa de desenvolupament mitjançant USB i també ofereixi entrada de voltatge a través d’un dels pins de la placa, necessitareu una manera de triar entre els dos voltatges de la competència. Això s'aconsegueix més senzillament mitjançant l'ús de díodes, que funcionen per permetre que només passi el voltatge d'entrada més alt i alimenti la resta del circuit.

En el nostre cas, tenim una barrera schottky dual, que inclou dos díodes schottky en un sol paquet amb aquest propòsit.

Pas 6: trieu els vostres xips perifèrics (si n'hi ha)

Podeu afegir xips a la interfície amb el microcontrolador escollit per millorar la usabilitat o la funcionalitat que la vostra placa de desenvolupament ofereix als usuaris.

En el nostre cas, l’ESP8266 només té un canal d’entrada analògic únic i molt pocs GPIO utilitzables.

Per solucionar-ho, afegirem un CI extern del convertidor analògic a digital i un CI expansor GPIO.

L'elecció d'un ADC sol ser una compensació entre el percentatge o la velocitat de conversió i la resolució. Les resolucions més altes no són necessàriament millors, perquè els xips que presenten resolucions més altes perquè utilitzen diferents tècniques de mostreig sovint presenten taxes de mostreig molt lentes. Els ADC SAR típics tenen mostres superiors a centenars de milers de mostres per segon, mentre que els ADC Delta Sigma de més alta resolució solen ser capaços d’un grapat de mostres per segon, un món allunyat dels ràpids ADC SAR i dels ràpids ADC canalitzats.

El MCP3208 és un ADC de 12 bits, amb 8 canals analògics. Pot funcionar entre 2.7V-5.5V i té una freqüència de mostreig màxima de 100kps.

L'addició d'un MCP23S17, un popular expansor GPIO, fa que 16 pins GPIO estiguin disponibles per al seu ús.

Pas 7: Disseny de circuits

El circuit de subministrament de potència utilitza dos díodes schottky per proporcionar una funció OR simple per a l'entrada de potència. Això estableix una batalla entre 5V provinents del port USB i tot el que vulgueu proporcionar al pin VIN: el guanyador de la batalla d'electrons surt a la part superior i proporciona energia al regulador AMS1117. Un humil LED SMD serveix com a indicador del fet que l’energia es lliura a la resta de la placa.

El circuit d’interfície USB inclou un cordó de ferrita per evitar que els senyals de rellotge EMI i els sorolls del rellotge s’irradien cap a l’ordinador de l’usuari. Les resistències de sèrie de les línies de dades (D + i D-) proporcionen un control bàsic de la velocitat de la vora.

L'ESP8266 utilitza GPIO 0, GPIO 2 i GPIO 15 com a pins d'entrada especials, llegint el seu estat a l'arrencada per determinar si s'inicia en mode de programació, que us permet comunicar-vos per sèrie per programar el mode d'arrencada amb xip o flash, que llança el vostre programa.. GPIO 2 i GPIO 15 han de romandre en lògica alta i lògica baixa, respectivament durant el procés d’arrencada. Si el GPIO 0 és baix a l’arrencada, l’ESP8266 renuncia al control i us permet emmagatzemar el vostre programa a la memòria flash interfície dins del mòdul. Si GPIO 0 és alt, l’ESP8266 llança l’últim programa emmagatzemat en flash i ja podeu llançar-lo.

Amb aquest objectiu, la nostra placa de desenvolupament proporciona commutadors d’arrencada i reinici, que permeten als usuaris alternar l’estat de GPIO 0 i restablir el dispositiu per posar el xip al mode de programació desitjat. Una resistència extraïble garanteix que el dispositiu s’iniciï en mode d’arrencada normal per defecte, iniciant el programa emmagatzemat més recentment.

Pas 8: disseny i disseny de PCB

El disseny del PCB esdevé més crític un cop hi participen senyals d'alta velocitat o analògics. Els CI analògics en particular són sensibles als problemes de soroll del sòl. Els plans terrestres tenen la capacitat de proporcionar una referència més estable per als senyals d’interès, reduint el soroll i les interferències típicament causats pels bucles terrestres.

Les traces analògiques s'han de mantenir allunyades de les traces digitals d'alta velocitat, com ara les línies de dades diferencials que formen part de l'estàndard USB. Les traces del senyal de dades diferencials s’han de fer el més curt possible i han de coincidir amb la longitud del traçat. Eviteu els girs i les vies per reduir els reflexos i les variacions d’impedància.

L’ús d’una configuració en estrella per subministrar energia als dispositius (suposant que encara no utilitzeu un pla d’alimentació) també ajuda a reduir el soroll eliminant els camins de retorn actuals.

Pas 9: Apilament de PCB

La nostra placa de desenvolupament es basa en una pila de PCB de 4 capes, amb un pla de potència i un pla de terra dedicats.

El vostre "apilament" és l'ordre de les capes del vostre PCB. La disposició de capes afecta el compliment EMI del vostre disseny, així com la integritat del senyal del vostre circuit.

Els factors que cal tenir en compte a l’apilament de PCB inclouen:

1. El nombre de capes
2. L’ordre de les capes
3. Espai entre capes
4. El propòsit de cada capa (senyal, pla, etc.)
5. Gruix de la capa
6. Cost

Cada apilament té el seu propi conjunt d’avantatges i desavantatges. Un tauler de 4 capes produirà aproximadament 15 dB de radiació menys que un disseny de 2 capes. És més probable que les taules multicapa presentin un pla de terra complet, una impedància de terra que disminueixi i un soroll de referència.

Pas 10: Més consideracions sobre les capes de PCB i la integritat del senyal

Idealment, les capes de senyal haurien d’estar al costat d’un pla de potència o de terra, amb una distància mínima entre la capa de senyal i el seu respectiu pla proper. Això optimitza el camí de retorn del senyal, que passa pel pla de referència.

Els plans de potència i de terra es poden utilitzar per proporcionar blindatge entre capes o com a escuts per a capes interiors.

Una potència i un pla de terra, quan es col·loquen l’un al costat de l’altre, donarà lloc a una capacitat interplana que normalment funciona al vostre favor. Aquesta capacitat s'escala amb l'àrea del vostre PCB, així com la seva constant dielèctrica, i és inversament proporcional a la distància entre els plans. Aquesta capacitat funciona bé per servir circuits integrats que presenten requisits actuals de subministrament volàtil.

Els senyals ràpids s’emmagatzemen idealment a les capes internes dels PCB multicapa, per contenir l’EMI generat per les traces.

Com més altes siguin les freqüències que es tracten al tauler, més estrictes hauran de ser aquests requisits ideals. És probable que els dissenys de baixa velocitat s’escapin amb menys capes, o fins i tot amb una sola capa, mentre que els dissenys d’alta velocitat i RF necessiten un disseny de PCB més complicat amb un apilament de PCB més estratègic.

Els dissenys d’alta velocitat, per exemple, són més susceptibles a l’efecte pell, que és l’observació que a altes freqüències el flux de corrent no penetra a través de tot el cos d’un conductor, cosa que al seu torn significa que hi ha una utilitat marginal cada vegada menor el gruix del coure a una freqüència determinada, ja que el volum addicional del conductor no s’utilitzarà de totes maneres. A uns 100 MHz, la profunditat de la pell (el gruix del corrent que realment circula pel conductor) és d’uns 7um, cosa que significa fins i tot 1 oz. les capes de senyal gruixudes estan infrautilitzades.

Pas 11: una nota lateral sobre Vias

Les Vias formen connexions entre les diferents capes d’un PCB multicapa.

Els tipus de via utilitzats afectaran el cost de producció de PCB. La fabricació de vies cegues / soterrades costa més que les vies a través de forats. Un forat passant mitjançant cops a través de tota la PCB, que finalitza a la capa més baixa. Les vies enterrades s’amaguen a l’interior i només interconnecten capes interiors, mentre que les vies cegues comencen per un costat de la PCB però acaben abans que l’altre costat. Les vies passants són les més barates i fàcils de fabricar, de manera que si s’optimitzen per a l’ús de costos mitjançant vies forades.

Pas 12: fabricació i muntatge de PCB

Ara que s'ha dissenyat el tauler, voldreu publicar el disseny com a fitxers Gerber des de la vostra eina EDA que vulgueu i enviar-los a una casa de consells per fabricar-los.

Vaig fabricar els meus taulers per ALLPCB, però podeu fer servir qualsevol botiga de taulers per fabricar-los. Recomanaria encaridament utilitzar PCB Shopper per comparar preus a l'hora de decidir quina pensió triar per a la fabricació, de manera que pugueu comparar en termes de preus i capacitats.

Algunes de les cases de la junta també ofereixen el muntatge de PCB, que probablement necessiteu si voleu implementar aquest disseny, ja que utilitza principalment peces SMD i fins i tot QFN.

Pas 13: això és tot gent

Aquesta placa de desenvolupament es diu "Clouduino Stratus", una placa de desenvolupament basada en ESP8266 que vaig dissenyar per accelerar el procés de prototipatge per a un inici de maquinari / IOT.

Encara és molt una primera iteració del disseny, amb noves revisions properament.

Espero que vosaltres hagueu après molt d’aquesta guia.: D

Pas 14: Bonificació: components, gerbers, fitxers de disseny i agraïments

[Microcontrolador]

1x ESP12F

[Perifèrics]

1 x MCP23S17 GPIO Expander (QFN)

1 x MCP3208 ADC (SOIC)

[Connectors i interfície]

1 x FT231XQ USB a sèrie (QFN)

1 x mini connector USB-B

2 capçaleres femella / home de 16 pins

[Potència] 1 x Regulador AMS1117 - 3.3 (SOT-223-3)

[Altres]

1 x ECQ10A04-F Barrera Schottky dual (TO-252)

2 x BC847W (SOT323)

7 x 10K 1% SMD 0603 resistències

2 x 27 ohm 1% SMD 0603 resistències

3 x 270 ohm 1% SMD 0603 resistències

2 x 470 ohm 1% SMD 0603 resistències

Condensador 3 x 0,1uF 50V SMD 0603

Condensador 2 x 10uF 50V SMD 0603

Condensador 1 x 1uF 50V SMD 0603

Condensador 2 x 47pF 50V SMD 0603

1 x SMD LED 0603 Verd

1 x SMD LED 0603 groc

1 x SMD LED 0603 Blau

2 interruptors tàctils OMRON BF-3 1000 THT

1 x perla de ferrita 600 / 100mhz SMD 0603

[Agraïments] Gràfics ADC gentilesa de TI App Notes

Punt de referència MCU:

Il·lustracions de PCB: Fineline