Как разработать макет печатной платы


Макетные платы отлично подходят для создания прототипов схем, но они не так хороши для фактического использования. В какой-то момент вы, вероятно, захотите сделать проект более постоянным. Лучший способ сделать это - поместить его на печатную плату.
В этом уроке я расскажу вам о процессе разработки макета печатной платы и печати ее изготовителем по индивидуальному заказу. Производительность вашей схемы будет сильно зависеть от того, как она установлена ​​на печатной плате, поэтому я дам вам много советов о том, как оптимизировать ваш дизайн.
Вы всегда можете вытравить печатные платы дома с помощью процесса, похожего на печать отпечатков с фотопленки. Но этот метод грязный и использует много химикатов. Намного проще (и дешевле) получить вашу печатную плату от профессионального производителя. Чтобы продемонстрировать этот процесс, я воспользуюсь онлайн-сервисом EasyEDA  для разработки схемы печатной платы для аудиоусилителя LM386, затем изготовлю ее и покажу результаты. Их бесплатное программное обеспечение для онлайн-дизайна проста в использовании и цены очень доступные.

Все начинается с схемы


Прежде чем приступить к проектированию вашей печатной платы, рекомендуется создать схему цепей проекта. Схема будет служить планом для разметки трасс и размещения компонентов на печатной плате. Кроме того, программное обеспечение для редактирования печатных плат может импортировать все компоненты, посадочные места и провода в файл печатной платы, что облегчит процесс проектирования (подробнее об этом позже).
Начните с входа в EasyEDA и создайте новый проект:
Как только вы окажетесь на стартовой странице, нажмите на вкладку «Новая схема»:
Теперь вы увидите пустое поле, на котором вы можете нарисовать схему:
Лучше всего поместить все свои схематические символы на поле, прежде чем рисовать какие-либо провода. В EasyEDA условные обозначения находятся в «библиотеках». Библиотека EasyEDA по умолчанию имеет большинство общих символов, но есть также «Пользовательские библиотеки» с множеством других символов:
Каждый символ схемы, который вы используете, должен иметь привязку к печатной плате. Занимаемая площадь печатной платы будет определять физические размеры компонента и расположение медных площадок или сквозных отверстий. Сейчас самое время решить, какие компоненты вы будете использовать.
Символы схемы в библиотеке EasyEDA уже имеют связанные элементы, но их можно изменить, если вы используете другой размер или стиль:
Чтобы изменить элемент footprint, связанный с символом схемы, найдите в библиотеках «User Generated» элемент footprint, соответствующий используемому вами компоненту. Как только вы найдете его, нажмите на значок сердца, чтобы «Избранное»:
Затем скопируйте имя компонента:
Теперь нажмите на символ в редакторе схем и вставьте имя нового элемента в поле «пакет» в меню правой боковой панели (для демонстрации посмотрите видео ниже):
После того, как все ваши символы размещены на схеме, и вы назначили контуры каждому символу, пора начинать рисовать провода. Вместо того, чтобы объяснять детали всего этого в этой статье, я сделал видео, чтобы вы могли посмотреть, как я рисую схему для моего усилителя звука LM386:

После того, как все подключения выполнены, рекомендуется пометить символы. Этикетки будут перенесены на макет печатной платы и в конечном итоге будут напечатаны на готовой печатной плате. Каждый символ имеет имя (R1, R2, C1, C2 и т. Д.) И значение (10 мкФ, 100 Ом и т. Д.), Которые можно редактировать, щелкнув метку.
Следующим шагом является импорт схемы в редактор печатных плат, но прежде чем мы это сделаем, давайте поговорим о некоторых вещах, которые следует учитывать при проектировании вашей печатной платы.

Оптимизация дизайна печатной платы

Определите, что делает каждая часть вашей схемы, и разделите схему на части в соответствии с функцией. Например, моя  схема усилителя звука LM386  имеет четыре основных секции: источник питания, аудиовход, LM386 и аудиовыход. На этом этапе может быть полезно нарисовать некоторые диаграммы, которые помогут вам визуализировать дизайн, прежде чем вы начнете его планировать.
Держите компоненты в каждой секции сгруппированными в одной и той же области печатной платы, чтобы сохранить следы проводимости короткими. Длинные следы могут поглощать электромагнитное излучение от других источников, что может вызывать помехи и шум.
Различные участки вашей цепи должны быть расположены так, чтобы путь электрического тока был максимально линейным. Сигналы в вашей цепи должны проходить по прямому пути от одного участка к другому, что позволит сократить следы.
На каждый участок цепи должно подаваться питание с отдельными трассами одинаковой длины. Это называется  конфигурацией «звезда» , и она гарантирует, что каждая секция получает равное напряжение питания. Если секции соединены в конфигурации гирляндной цепи, ток, потребляемый от секций ближе к источнику питания, приведет к падению напряжения и приведет к снижению напряжения на участках, удаленных от источника питания:

Форма и размер печатной платы

Нередко можно видеть круглые, треугольные или другие интересные формы печатных плат. Большинство печатных плат спроектированы так, чтобы быть как можно меньше, но это не обязательно, если ваше приложение не требует этого.
Если вы планируете поместить плату в корпус, размеры могут быть ограничены размером корпуса. В этом случае вам нужно знать размеры корпуса перед тем, как разложить печатную плату, чтобы все уместилось внутри.
Используемые компоненты также влияют на размер готовой печатной платы. Например, компоненты поверхностного монтажа имеют небольшой размер и низкий профиль, поэтому вы сможете уменьшить размер печатной платы. Компоненты сквозных отверстий больше, но их часто легче найти и легче припаять.

Пользовательские интерфейсы

Расположение компонентов, таких как разъемы питания, потенциометры, светодиоды и аудиоразъемы в готовом проекте, будет влиять на расположение вашей печатной платы. Вам нужен светодиод рядом с выключателем питания, чтобы показать, что он включен? Или вам нужно поставить потенциометр громкости рядом с потенциометром усиления? Для лучшего пользовательского опыта вам, возможно, придется пойти на некоторые компромиссы и спроектировать остальную часть вашей печатной платы вокруг расположения этих компонентов.

PCB Layers

Большие схемы могут быть сложными для проектирования на однослойной печатной плате, потому что сложно трассировать трассы, не пересекая друг друга. Возможно, вам придется использовать два медных слоя со следами, проложенными с обеих сторон печатной платы.
Следы на одном слое могут быть связаны с другим слоем через . Сквозное отверстие - это медное отверстие в печатной плате, которое электрически соединяет верхний слой с нижним слоем. Вы также можете соединить верхнюю и нижнюю кривые в сквозном отверстии компонента:

Слои земли

Некоторые двухслойные печатные платы имеют заземляющий слой, где весь нижний слой покрыт медной плоскостью, соединенной с землей. Положительные следы направляются сверху, а соединения с землей выполняются через сквозные отверстия или переходные отверстия. Слои заземления хороши для цепей, которые подвержены помехам, потому что большая площадь меди служит защитой от электромагнитных полей. Они также помогают рассеивать тепло, выделяемое компонентами.

Толщина слоя

Большинство производителей печатных плат позволяют вам заказывать пленки различной толщины. Вес меди  - это термин, который производители используют для описания толщины слоя, и он измеряется в унциях. Толщина слоя будет влиять на то, сколько тока может протекать по цепи, не повреждая следы. Ширина трассы является еще одним фактором, который влияет на то, сколько тока может безопасно протекать через цепь (обсуждается ниже). Чтобы определить безопасные значения для ширины и толщины, вам нужно знать силу тока, которая будет течь через рассматриваемый след. Используйте  онлайн-калькулятор ширины следа,  чтобы определить идеальную толщину и ширину следа для данной силы тока.

PCB Traces

Если вы посмотрите на профессионально разработанную печатную плату, вы, вероятно, заметите, что большинство медных следов изгибаются под углом 45 °. Одной из причин этого является то, что углы 45 ° сокращают электрический путь между компонентами по сравнению с углами 90 °. Другая причина в том, что высокоскоростные логические сигналы могут отражаться от задней части угла, вызывая помехи:
Если ваш проект использует цифровую логику или высокоскоростные протоколы связи выше 200 МГц, вам, вероятно, следует избегать углов 90 ° и переходов в ваших следах. Для более медленных контуров трассы под углом 90 ° не окажут большого влияния на производительность вашей схемы.

Ширина трассировки

Как и толщина слоя, ширина ваших следов будет влиять на то, сколько тока может течь через вашу цепь, не повреждая цепь.
Близость трасс к компонентам и смежным трассам также определяет, насколько широкими могут быть ваши трассы. Если вы проектируете небольшую печатную плату с множеством следов и компонентов, вам может понадобиться сделать узкие следы, чтобы все подходило.

Создание макета печатной платы

Теперь, когда мы обсудили некоторые способы оптимизации вашей печатной платы, давайте посмотрим, как расположить печатную плату в EasyEDA.
Откройте схему в редакторе схем и нажмите кнопку «Преобразовать проект в печатную плату»:
Контуры, связанные с каждым символом схемы, будут автоматически перенесены в редактор печатных плат:
Обратите внимание на тонкие синие линии, соединяющие компоненты. Это так называемые  ратснестские  линии. Линии Ratsnest - это виртуальные провода, которые представляют соединения между компонентами. Они показывают, куда вам нужно направить трассы в соответствии с проводными соединениями, которые вы создали в своей схеме:
Теперь вы можете приступить к расстановке компонентов, помня советы по дизайну, упомянутые выше. Возможно, вы захотите провести некоторое исследование, чтобы выяснить, существуют ли какие-либо особые требования к конструкции вашей схемы. Некоторые схемы работают лучше с определенными компонентами в определенных местах. Например, в схеме усилителя LM386 конденсаторы развязки источника питания должны быть расположены близко к микросхеме, чтобы уменьшить шум.
После того, как вы упорядочили все компоненты, пришло время рисовать трассы. Используйте провода Ratsnest в качестве приблизительного ориентира для маршрутизации каждого следа. Тем не менее, они не всегда будут показывать вам лучший способ маршрутизации трассировок, поэтому рекомендуется вернуться к вашей схеме, чтобы проверить правильность соединений.
Трассировки также можно маршрутизировать автоматически с помощью программного маршрутизатора . Для сложных каналов обычно лучше направлять трассировки вручную, но попробуйте использовать автоматический маршрутизатор на более простых схемах и посмотрите, что получится. Вы всегда можете настроить отдельные следы позже.
Это видео покажет вам, как рисовать следы в редакторе печатных плат EasyEDA:

Теперь пришло время определить размер и форму контура печатной платы. Нажмите на контур платы и перетащите каждую сторону, пока все компоненты не окажутся внутри:
Последнее, что нужно сделать перед оформлением заказа, - запустить проверку правил проектирования . Проверка правил разработки покажет вам, перекрываются ли какие-либо компоненты или трассы расположены слишком близко друг к другу. Проверить правило разработки можно, нажав кнопку «Менеджер дизайна» в правой части окна:
Элементы, не прошедшие проверку правил разработки, будут перечислены в папке «Ошибки DRC». Если вы нажмете одну из ошибок, трассировка проблемы или компонент будут выделены в представлении PCB:
Вы можете указать свои собственные настройки для проверки правила дизайна, щелкнув раскрывающееся меню в верхнем правом углу и выбрав Разное> Настройки правила дизайна:
Откроется окно, в котором вы можете установить правила проектирования для ширины трассы, расстояния между трассами и других полезных параметров:
На этом этапе неплохо бы проверить компоновку вашей печатной платы на соответствие вашей схеме, чтобы убедиться, что все подключено правильно. Если вы удовлетворены результатом, следующий шаг - заказать печатную плату. EasyEDA делает эту часть действительно легкой ...

Заказ печатной платы

Начните с нажатия кнопки «Изготовление» в верхнем меню редактора печатных плат:
Это приведет вас к другому экрану, где вы можете выбрать параметры для вашего заказа на печатную плату :
Вы можете выбрать количество печатных плат, которые вы хотите заказать, количество медных слоев, толщину печатной платы, вес меди и даже цвет печатной платы. После того, как вы сделали свой выбор, нажмите «Сохранить в корзину», и вы попадете на страницу, где вы можете ввести свой адрес доставки и платежную информацию.
Вы также можете скачать файлы Gerber на своей печатной плате, если хотите отправить их другому производителю:
Файлы Gerber - это набор файлов изображений, которые содержат шаблоны, используемые для изготовления вашей печатной платы. Все файлы сжаты в один файл .zip. Существует отдельный файл для медных следов, шелкографии и мест расположения отверстий и переходных отверстий:
Я заказал 15 печатных плат для моей схемы усилителя звука LM386, и стоимость составила около 15 долларов США. Изготовление и отгрузка заняли около двух недель. Печатные платы были хорошо сделаны, и я не мог найти никаких дефектов. После того, как я припаял компоненты и протестировал усилитель, он работал отлично. Вы можете клонировать мою схему усилителя LM386 и печатную плату здесь,  если хотите.
Создание собственной печатной платы очень увлекательно, а результаты могут быть очень полезными. Надеемся, что эта статья поможет вам получить вашу прототип схемы на печатной плате. Дайте нам знать в комментариях, если у вас есть какие-либо вопросы, и дайте нам знать, какие проекты дизайна печатных плат вы запланировали. Если вам понравился этот урок и вы хотите получить больше от него, обязательно подпишитесь!

Все комментарии проходят проверку, не пытайтесь спамить.