Как да се начертае проект на PCB схема: Ефективно проектиране на PCB схеми

Проектиране на PCB схема: Основи на проектирането на електрически вериги

Въведение

Печатните платки (PCB) са в сърцето на почти всички съвременни електронни устройства, от смартфони и компютри до промишлени системи за управление и медицинско оборудване. PCB схема е архитектурният план в света на проектиране на платка с печатни вериги , очертаваща всяка електрическа връзка, поток на сигнала и взаимоотношение между компонентите, които ще станат реалност в крайния продукт. Създаването на здрава и ясна схематичен чертеж е от решаващо значение не само за иновациите и функционалния успех, но и за диагностициране на неизправности, производство и контрол на качеството по време на Фабрициране на ПЛК процес.

Защо да започнете с проектирането на PCB схема?

Всеки PCB проект винаги започва с добре изработена схема. Тази схематична диаграма осигурява логическо представяне на проекта на електронната верига, като детайлизира всичко от разпределението на захранването и заземяването, обозначаване на мрежи и символи на компоненти до систематичната организация на потока на сигналите. Средства за автоматизация на електронния дизайн (EDA) —като OrCAD, Altium Designer, KiCad и EasyEDA—позволяват цифрово улавяне на тези сложни проекти, създавайки основата за последващи процеси като Платка (PCB) Layout , проверка на мрежовия списък , и в крайна сметка, Монтаж на ПЧ .

Какво е значението на принципната схема?

• Концептуализира добре структурирана верига — формира чертежа за проектиране и диагностика.
• От съществено значение за съвместната работа между инженери, техници и производители.
• Ръководство за производство и ремонт по-нататък.

Основни елементи на схема на PCB

• Електронни символи : Резистори, кондензатори, интегрални схеми и др.
• Свързващи линии / проводници : Електрически връзки и протичане на сигнали.
• Етикети / имена на мрежи : За ясни и отделени сигнали.
• Символи за захранване / заземяване: Ясно обозначени точки за захранване и референтни точки.
• Обозначения на компоненти: според стандарти на IEEE.

Ръководство за изготвяне на принципни схеми за PCB

Добре структурираната принципна схема на PCB е основата за надеждно разработване на продукти, като осигурява яснота, възможност за производство и ефективна съвместна работа. По-долу са изброени основни насоки, които трябва да се следват при професионалното проектиране на схеми:

Изберете подходящ размер на страницата

Изберете размери на страницата, съответстващи на мащаба и сложността на веригата — избягвайте прекалено стегнато разполагане на прости вериги или губене на пространство поради твърде големи страници. Това осигурява баланс между четимостта и управлението на документа.

Наименувайте страниците в азбучен ред

Логически разделяйте многостраничните схеми по функционални модули и именувайте страниците в азбучен ред. Това опростява навигацията и крос-референцирането.

Въведете система с мрежа за референтни точки

Активирайте система с мрежа, за да подравнявате компоненти, мрежи и символи еднакво. Това улеснява маршрутизирането на връзките, осигурява визуална последователност и допринася за точното крос-референциране по време на прегледи на проекта.

Включете заглавен блок в долния колонтитул

Добавете стандартизиран блок с титулен лист в долната част на всяка страница, съдържащ критични метаданни: размер на страницата, номер на ревизията на документа, уникален идентификатор на документа, име/контакт на проектанта, дата на проектиране и логото на компанията. Това подобрява проследимостта и професионализма.

Добавяне на важни бележки/коментари

Вградете ключови анотации за важни детайли в дизайна: конфигурации на скокове, ограничения за разположение на PCB, местоположения на тестови точки или специални изисквания за компоненти. Уточнете неочевидната логика, за да се избегне погрешно тълкуване.

Включете хронология на ревизиите

Поддържайте раздел с хронология на ревизиите, за да проследявате промените. Това осигурява отчетност, опростява контрола на версиите и подпомага спазването на качествени стандарти.

Включете съдържание

За проекти с няколко страници или сложни проекти добавете съдържание със списък на заглавията на страниците, функционални модули и съответните номера на страниците. Това позволява бърза навигация и подобрява употребимостта на документа за екипите.

Използвайте блок-схема за дизайнерските модули

Започнете с блокова диаграма от високо ниво, за да очертаете основните функционални модули и тяхната взаимна връзка. Това осигурява общ преглед на архитектурата на системата и потока на сигналите.

Илюстриране на пътя на сигналния поток чрез йерархично проектиране

Приложете йерархично проектиране за декомпозиране на сложни схеми: използвайте блокове от най-високо ниво за системни модули и листове от по-ниско ниво за подробни схеми. Това изяснява връзките между модулите, намалява претрупаността и опростява итеративното проектиране.

Използвайте стандартни означения за компоненти

Следвайте стандарти на IEEE/IPC за маркиране на компоненти: R (резистор), C (кондензатор), U (интегрална схема), D (диода), Q (транзистор) и др. Еднородните означения премахват объркване и гарантират съвместимост с индустриални инструменти.

Създавайте символи на компоненти от стандартни библиотеки

Използвайте официални или признати от индустрията библиотеки на компоненти за създаване на символи. Избягвайте персонализирани символи, освен ако не е необходимо — стандартизацията осигурява последователност в проектирането и намалява риска от грешки.

Намалете ненужните мрежови връзки

Минимизирайте излишните пресичания, висящи мрежи или неизползвани връзки. Използвайте етикети за мрежи вместо директни проводници за повтарящи се връзки, за да се подобри четимостта и да се опрости модифицирането на проекта.

Осигурете четимост при разполагане на компоненти

Разполагайте компонентите логично и избягвайте прекалено струпване. Подреденото разположение опростява прехода към PCB монтажа и подобрява ефективността при преглед на проекта.

Поставете компонентите, свързани с кварцови резонатори, в непосредствена близост

Поставете кварцовите резонатори, кварцовите генератори и съответните им кондензатори/резистори възможно най-близо до тактовите изводи на МКУ. Това минимизира смущенията в сигнала, намалява дължината на следите и подобрява цялостността на тактовия сигнал.

Изпълнете DRC, за да оцените цялостността на проекта

Изпълнете автоматизирана проверка на правилата за проектиране (DRC) с помощта на софтуер за схемотехника, за да идентифицирате грешки като несвързани изводи, къси съединения или невалидни назначения на компоненти. Отстранете нарушенията на DRC, преди да продължите към монтажа.

Ръчно проверете мрежите, за да елиминирате възможни грешки

Допълнете DRC с ръчна проверка на мрежите: крос-проверете всички захранващи мрежи, сигнали и връзки на компонентите. Това засича деликатни грешки, които автоматизираните инструменти могат да пропуснат.

Генерирайте пълен списък на материали (BOM)

Създайте изчерпателен списък на материали (BOM), включващ ключови данни: означения на компонентите, бройки, стойности, номера на производителя (MPN), информация за доставчици и поставки. Пълният BOM ускорява процесите на набавяне и производство.

Бележки за употреба за Kingfield:

• Персонализирайте заглавната лента и историята на ревизиите, за да отговарят на вътрешните стандарти за документи на Kingfield.
• За маркетингови или технически документи, комбинирайте това ръководство с примери от схеми, за да се повиши приложимостта.
• Адаптирайте насоките според изискванията на конкретната индустрия, като добавите бележки, свързани със съответствието.

Как да създадете ефективна схема на PCB проект

Ефективно проектиране на PCB схема: Кратко ръководство

• Уточнете целита : Дефинирайте приложението, функционалните блокове и ограниченията.
• Изберете инструменти : Използвайте Altium/KiCad/Eagle за съвместимост и поддръжка на библиотеки с компоненти.
• Стандартизирайте компонентите :

• • Използвайте проверени символи/формати на производителя.
  • Име като "U1_MCU_STM32F4"; добавете стойности, пакети, SPN-и.

• Оптимизирайте монтажната схема :

• • Групирайте функционалните блокове логично; минимизирайте пресичанията на проводници.
  • Приемете йерархично проектиране за сложни PCB.

• Осигурява точност :

• • Проверете изводите със схемите; добавете защитни вериги.
  • Спазвайте IPC-2221/ISO 13485/IATF 16949; маркирайте критични мрежи.

• Анотирайте ясно :

• • Включете условни означения, бележки за ключови вериги, заглавен блок.
  • Интегрирайте подробна спецификация (BOM).

• Преглед и валидиране :

• • Самопреглед/преглед от колега; симулирайте критични вериги; проверете мрежовия списък.

• Предаване за разположение : Експортирайте мрежови списъци/спецификации/гербери; комуникирайте критични изисквания.

Значението на принципните схеми за проектиране на PCB платки

• Основен проект : Преобразува електрическите изисквания в приложима логика на проектиране, насочвайки избора на компоненти, свързванията и подредбата.
• Превенция на Грешки : Потвърждава цялостността на веригата от самото начало, намалявайки къси съединения/функционални повреди при производството.
• Съвместна работа между екипи : Обединява инженерите около стандартизиран референтен документ за комуникация.
• Съответствие на регулаторните изисквания : Осигурява съгласуваност с отрасловите стандарти чрез документирана цел на проектирането.
• Отстраняване на неизправности и поддръжка : Улеснява диагностицирането и поправките след производството.
• BOM и доставки : Непосредствено генерира точен списък на материали (BOM) с данни за компонентите за нуждите на доставките.
• Мащабируемост и итерация : Поддържа йерархично проектиране за сложни PCB и опростява ревизиите.
• Контрол на разходите : Намалява разходите за преработка, като идентифицира грешки в дизайна още в началото, избягвайки скъпи производствени итерации.

Процес на проектиране на схема на PCB: Стъпка по стъпка

Процесът на проектиране на схема на PCB следва логичен, последователен работен поток, за да се осигури точност, спазване на изискванията и безпроблемен преход към физическо разположение на PCB. Всеки етап се базира на предишния, с ясни резултати и точки за контрол на качеството:

Определяне на изискванията за дизайн

Този основополагащ етап изисква кросфункционално съгласуване, за да се избегне разширяване на обхвата и преработка на проекта. Започнете с документирането на:

• Електрически спецификации : Диапазони на входно/изходно напрежение, граници на работен ток, честоти на сигналите и изисквания за имунитет към шум.
• Архитектура на захранването : Уточнете източниците на захранване, нуждите от регулиране на напрежението и разпределението на захранването.
• Изисквания за сигнали : Определяне на типовете сигнали, комуникационни протоколи и критични ограничения за сигнали.
• Механични и околните условия : Ограничения за размер/форма на PCB, работен температурен диапазон и стандарти за надеждност.
• Съответствие със стандарти : Регулаторни изисквания, които засягат проекта на схемата.

Начертайте блок-схема

Преведете DSD във високо-ниво блок-схема, за да визуализирате архитектурата на системата. Основни стъпки:

• Определете функционални модули : Разделете системата на основни блокове.
• Определете връзките : Използвайте стрелки, за да укажете потока на сигнал/енергия между блоковете. Маркирайте критичните мрежи.
• Опростяване на сложността : За системи с няколко модула групирайте свързаните блокове. Използвайте стандартни символи за по-добра яснота.
• Валидиране със заинтересованите страни : Прегледайте блоковата диаграма, за да се уверите, че всички изисквания са отразени, и направете корекции преди прехода към детайлен дизайн.

Схематично проектиране

Използвайте професионален CAD софтуер, за да реализирате блоковата диаграма като детайлна схема. Следвайте тези най-добри практики:

• Настройване на параметрите на проекта : Конфигурирайте размера на страницата, координатната мрежа и шаблоните за дизайн преди започване.
• Поставяне на компоненти :
  • Използвайте стандартни библиотеки за поставяне на компоненти — избягвайте персонализирани символи, освен ако не е абсолютно необходимо.
  • Групирайте компонентите по функционални модули и подредете ги за логично протичане на сигналите.
  • Дръжте критичните компоненти достъпни за бъдещи анотации и крос-референции.
• Мрежово трасиране :
  • Използвайте мрежовата система, за да подравнявате мрежите и избягвате объркани, застъпващи се проводници.
  • Заменете дългите, излишни проводници с етикети на мрежи.
  • За йерархични проекти създайте лист на най-високо ниво с блокови символи, след което свържете всеки блок с по-долен лист, съдържащ подробна електрическа верига.
• Крос-референции : Използвайте възможностите на софтуера, за да свързвате компоненти в многолистови схеми и да гарантирате, че всички връзки са завършени.

Добавяне на информация за компонентите

Обогатете схемата с приложими данни за производство, набавяне и отстраняване на неизправности:

• Референтни обозначения : Присвоявайте етикети според стандарта на IEEE (според 4.10) последователно. Избягвайте дублирани или нееднозначни обозначения.
• Стойности и параметри на компонентите : Посочете точните параметри:
  • Резистори: Стойност (10kΩ), точност (±1%), мощност (0,25 W), корпус (0402).
  • Кондензатори: Стойност (10 µF), работно напрежение (16 V), диелектрик (X5R), корпус (0603).
  • ИС: Номер на компонент (STM32F407VG), конфигурация на изводите (DIP-40) и основни характеристики (32-битов ARM Cortex-M4).
• Производител и данни за корпуса : Включвайте номера на производителя (MPN), връзки към технически данни и обозначения на PCB корпуса.
• Аннотации : Добавете бележки за специални изисквания.

• Тази информация осигурява, че схемата е "производима" и намалява грешките по време на набавянето и монтажа на компонентите.

Извършване на проверка на електрическите правила (ERC)

ERC е автоматизирана стъпка за валидиране, с която се откриват грешки на ниво схема, преди да се премине към компоновката. Следвайте този процес:

• Конфигуриране на правилата за ERC : Настройте правила, специфични за софтуера, съобразени с изискванията за вашия проект.
• Стартиране на ERC : Изпълнете проверката и генерирайте доклад с изброени нарушения.
• Отстраняване на нарушенията :
  • Критични грешки: Отстранявайте незабавно.
  • Предупреждения: Прегледайте и отстранете, ако имат последици.
  • Информационно: Документ за бъдеще справка.
• Повторно изпълнение на ERC : Повтаряйте, докато не останат критични грешки. При сложни схеми провеждайте ръчно преглеждане заедно с ERC, за да се открият гранични случаи.

Генериране на мрежовия списък

Мрежовият списък е текстов файл, който дефинира всички компоненти, техните щифтове и мрежите, които ги свързват – действа като връзка между схемата и разположението. Основни стъпки:

• Избор на формат на мрежовия списък : Изберете формат, съвместим с вашия софтуер за разположение на PCB.
• Генериране на мрежовия списък : Използвайте CAD софтуер, за да експортирате мрежовия списък – уверете се, че всички компоненти, стойности и връзки са включени.
• Проверка на точността на мрежовия списък :
  • Проверете проба от компоненти и мрежи схематично, за да потвърдите липсващи или неправилни връзки.
  • Потвърдете, че означенията, номерата на частите и отпечатъците съвпадат с тези в схемата.
• Отстраняване на грешки в мрежовия списък : Отстранете проблеми като "Неопределено устройство" или "Невалидно име на мрежа", преди да импортирате в софтуера за разположение.

• Чист и точен мрежов списък е от решаващо значение за избягване на грешки при разположението и намаляване на преправките по платката с печатни вериги.

Преход към разположение на PCB

Последната стъпка в проектирането на схема е подготовката за разположение — осигуряване на плавна предаване на екипа по проектиране на PCB. Основни действия:

• Подготовка на крайните продукти от схемата : Съберете крайната схема (всички страници), доклада от проверката на правилата (ERC), мрежовия списък, BOM (според 4.17) и бележките по дизайна в един проектен пакет.
• Комуникиране на ограниченията за разположение : Споделете ключови изисквания с екипа по разположението.
• Съгласуване на правилата за проектиране : Потвърдете правилата за разположение въз основа на ограниченията от схемата.
• Предаване и съвместна работа : Използвайте инструменти за контрол на версиите, за да споделяте файлове и да създадете цикъл за обратна връзка – незабавно решавайте въпроси, свързани с разположението.

• Екипът по разположението ще използва мрежовия списък за поставяне на компоненти и прокарване на проводници, като се придържа към схемата, за да се осигури спазване на проектната цел.

Как да четем схеми на печатни платки

Четенето на схема на PCB изисква разбиране на нейния визуален език, логическа структура и основни елементи. По-долу е дадено поетапно ръководство за проследяване на пътищата и дешифриране на компонентите за монтаж, диагностика и обръщане на конструкцията.

Проследяване на захранване, заземяване и сигнални пътища

Схемите са организирани около три основни типа пътища – овладейте тях, за да можете да навигирате по всяка конструкция.

Проследяване на захранващите пътища

Захранващите пътища подават енергия към всички компоненти — започнете оттук, за да разберете „животворната кръв“ на веригата:

• Идентифициране на източниците на захранване : Открийте компонента за входно захранване.
• Проследяване на регулирането на напрежението : Проследете захранването от източника до регулаторите на напрежението, които преобразуват входното напрежение до използваеми нива. Отбележете филтровите компоненти, които намаляват шума.
• Картографиране на разпределението на захранването : Проследете регулираните захранващи мрежи, сензори (U3) и светодиоди (D1-D3).
• Проверка на разделителните кондензатори : Потърсете малки по стойност кондензатори, свързани между захранващите мрежи и земя, близо до интегралните схеми — те стабилизират напрежението и филтрират шума за отделните компоненти.

П проследяване на заземителните пътища

Заземяването (GND) е референтна точка за всички сигнали и захранване – от съществено значение за стабилността на веригата:

• Разпознаване на символите за заземяване : Схемите използват стандартни символи:
• Цифрово заземяване: Непрекъсната линия.
• Аналогово заземяване: Триъгълен символ.
• Корпусно заземяване: Символ с равнина на заземяване.
• Проследяване на заземителните връзки : Уверете се, че всички компоненти имат заземителен път. Избягвайте „плаващи“ компоненти – те причиняват нерегуларно поведение.
• Обърнете внимание на разделянето на заземяванията : При смесени схеми аналоговите и цифровите заземявания често се събират в една точка, за да се намали взаимното влияние — проследете тази обща точка, за да разберете как се намалява шумът.

Проследяване на сигнали

Сигналните пътища пренасят данни или управляващи сигнали между компоненти — следвайте ги, за да разберете функционалността на схемата:

• Проследяване на сигналния поток : Проследете мрежата до крайната ѝ точка — свързана е с пин 6 на микроконтролера за аналогово-цифрово преобразуване. Обърнете внимание на междинните компоненти.
• Проследяване на управляващи сигнали : Идентифицирайте управляващите сигнали, които включват/изключват компоненти.
• Работа с многостранични схеми : Използвайте съдържанието и кръстосаните препратки, за да проследите сигналите по различните страници.

Разшифроване на референтните означения за сглобяване и диагностика

Референтните означения са „имената“ на компонентите – овладяването им е от съществено значение за практическото използване на схеми:

Стандартни префикси за референтни означения

Запомнете тези стандартни префикси по IEEE, за да идентифицирате бързо типовете компоненти:

Използване на означения за монтаж

По време на монтажа на PCB, означенията свързват компонентите от схемата с физическите поставки на PCB:

• Намиране на компоненти : В схемата намерете означението и запишете неговата стойност (10kΩ) и корпуса.
• Съпоставяне с PCB : На физическото PCB намерете етикета от шелаковия слой "R10" и запоите съответния резистор 10kΩ 0402.
• Проверка на съответствието с BOM : Сравнете означенията с BOM, за да се осигури правилното набавяне на компонентите.

Използване на означения за отстраняване на неизправности

Означенията улесняват диагностицирането на проблеми в електрическата верига:

• Локализиране на неизправни компоненти : Ако даден сензор не работи, намерете неговото означение (U3) на електрическата схема и проследете пътя на захранването и заземяването — използвайте мултиметър, за да проверите дали има захранване на пин 1 на U3.
• Проверка на сигнализационните пътища : Ако връзката се провали, проследете мрежата "UART_TX" от пин 7 на МКУ U2 до пин 3 на конектор J4 — проверете за прекъснати следи или неправилни стойности на компонентите.
• Съпоставяне с техническите данни : Използвайте номера на частта по означението (от БОМ) за извличане на техническите данни на компонента — проверете връзките на пиновете спрямо електрическата схема.

Основни съвети за четене на сложни схеми

• Започнете с блок-схемата : Използвайте блок-схемата от високо ниво, за да се ориентирате, преди да преминете към детайлираните вериги — определете основния модул и работете навън.
• Използвайте анотациите : Обръщайте внимание на бележките, които поясняват нелогичната логика.
• Групирайте компонентите по функция : Мислено групирайте компонентите с еднакъв префикс на означението, за да разберете подверигите.
• Упражнявайте се с прости схеми : Започнете с прости вериги, за да овладеете проследяването на пътищата и разпознаването на означенията, преди да преминете към сложни конструкции.

Разлика между принципна схема на PCB и разположение на PCB

Таблица за сравнение

Стъпки за преход от принципна към монтажна схема

Определяне контура на платката и слоевата структура

Задаване размерите на PCB; избор на брой слоеве (2/4/6+) и материал; посочване дебелина на медта и диелектрични свойства.

Поставяне на компоненти

Подреждане по функции, с приоритет сигурност на сигнала и възможност за производство; осигуряване достъп за тестване/сглобяване; избягване на припокриващи се следи.

Извършване на трасиране

Трасиране по най-къси, нискотошумни пътища; приоритет на захранване/маса и високочестотни сигнали; спазване на импедансно съгласуване (50Ω/100Ω); минимизиране на пресичанията.

Извършване на ДРК

Изпълнете проверка на проектните правила, за да потвърдите ширината/разстоянието на следите, размера на преходните отвори и производствените правила; отстранете нарушенията (къси съединения, проблеми с разстоянието) преди окончателно оформяне.

Подгответе производствени файлове

Експортирайте Gerber, файлове за пробиване, BOM и монтажни чертежи; осигурете съвместимост с производителите на PCB.

Най-добри софтуерни средства за принципни схеми на PCB през 2024 г.

Полезни съвети за проектиране на PCB схеми за начинаещи

• Започнете с прости вериги; упражнявайте се, като повтаряте проекти с отворен код.
• Винаги проверявайте техническите спецификации на компонентите за изводите, номиналите и съвместимостта на монтажното пространство.
• Използвайте онлайн ресурси: YouTube уроци, форуми (Reddit r/PrintedCircuitBoard).

Често срещани символи на принципни схеми за платки

Контролен списък за безупречен принципна схема на PCB

• Правилни номера/етикети на изводите за всички компоненти
• Точни стойности на компонентите и условни означения
• Ясни връзки между страници
• Подходящи разделителни кондензатори и пълен списък с материали (BOM)
• Липса на несвързани изводи или закъсани мрежи
• Съответствие със стандарти IEEE/IPC

Заключение

Проектирането на принципни схеми на PCB е ключово за надеждното развитие на PCB. Успехът изисква техническо планиране, прецизен подбор на компоненти/връзки и спазване на стандарти — това минимизира производствени грешки, намалява разходите за преработка и осигурява съответствието на крайния продукт с изискванията.

Често задавани въпроси

В1: Подходящ ли е KiCad за професионални PCB проекти?

О1: Да — поддържа сложни многослоеви проекти и експорт на производствени файлове, широко използван от стартъпи и малки и средни предприятия.

В2: Каква е разликата между ERC и DRC?

О2: ERC проверява грешки в схемата; DRC проверява физическите ограничения на разположението.

В3: Защо са необходими разделителни кондензатори?

О3: Те стабилизират захранващото напрежение на интегрални схеми, филтрират шумове и предотвратяват спадове на напрежението от преходни токове.

В4: Как да изберем 2-слоево срещу 4-слоево PCB?

О4: 2-слоево за прости вериги; 4-слоево за сложни проекти.