Как нарисовать схему PCB: эффективное проектирование схемы PCB

Проектирование схемы печатной платы: основы проектирования цепей

Введение

Печатные платы (PCB) лежат в основе почти всех современных электронных устройств — от смартфонов и компьютеров до промышленных систем управления и медицинского оборудования. Схема PCB в мире разработка печатной платы , отображая каждое электрическое соединение, поток сигнала и взаимосвязь компонентов, которые станут реальностью в конечном продукте. Создание надежной и понятной сХЕМАТИЧЕСКАЯ ДИАГРАММА играет ключевую роль не только для инноваций и функционального успеха, но и для диагностики, производства и контроля качества в ходе Производство ПЛИ процесс.

Зачем начинать с проектирования схемы PCB?

Проект PCB всегда начинается с тщательно составленной схемы. Эта схематическая диаграмма обеспечивает логическое представление электронной схемы, детализирующей все аспекты: от распределения питания и заземления, маркировки цепей и обозначений компонентов до систематической организации потока сигналов. Системы автоматизированного проектирования (САПР) — такие как OrCAD, Altium Designer, KiCad и EasyEDA — позволяют цифровым способом создавать эти сложные схемы, формируя основу для последующих процессов, таких как Макет ПЛИ , проверка списков соединений , и в конечном итоге, Сборка ПКБ .

Каково значение принципиальной схемы?

• Формирует хорошо структурированную схему — служит проектным чертежом для разработки и поиска неисправностей.
• Необходима для совместной работы инженеров, техников и производителей.
• Руководство по производству и ремонту в дальнейшем.

Ключевые элементы схемы печатной платы

• Электронные символы : Резисторы, конденсаторы, микросхемы и т.д.
• Соединения / провода : Электрические соединения и передача сигналов.
• Обозначения / имена сетей : Для четких и различимых сигналов.
• Символы питания / заземления: Четко обозначенные точки питания и опорные точки.
• Обозначения компонентов: в соответствии со стандартами IEEE.

Руководство по созданию принципиальных схем печатных плат

Хорошо структурированная принципиальная схема печатной платы является основой надежной разработки продукции, обеспечивая ясность, возможность производства и эффективность совместной работы. Ниже приведены основные рекомендации для профессионального проектирования схем:

Выберите подходящий размер страницы

Выберите размеры страницы, соответствующие масштабу и сложности схемы — избегайте перегруженности простых схем или потери места на слишком больших страницах. Это обеспечивает баланс между удобочитаемостью и удобством управления документом.

Называйте страницы в алфавитном порядке

Логически разделяйте многостраничные схемы по функциональным модулям и называйте страницы в алфавитном порядке. Это упрощает навигацию и перекрёстные ссылки.

Используйте сетку для опорных точек

Включите систему сетки для равномерного выравнивания компонентов, цепей и символов. Это упрощает трассировку соединений, обеспечивает визуальную согласованность и способствует точной перекрёстной ссылке при проверке проекта.

Включите заголовочный блок в нижний колонтитул

Добавьте стандартизированный бланк заголовка в нижнюю часть каждой страницы, содержащий важные метаданные: размер страницы, номер редакции документа, уникальный идентификатор документа, имя и контактные данные разработчика, дату разработки и логотип компании. Это повышает прослеживаемость и профессионализм.

Добавить важные примечания/комментарии

Вставьте ключевые аннотации для важных деталей конструкции: конфигурации перемычек, ограничения разводки печатной платы, расположение контрольных точек или специальные требования к компонентам. Поясните неочевидную логику, чтобы избежать неправильного толкования.

Включить историю редакций

Поддерживайте раздел истории редакций для отслеживания изменений. Это обеспечивает ответственность, упрощает управление версиями и способствует соблюдению стандартов качества.

Включить оглавление

Для многостраничных или сложных проектов добавьте оглавление с перечнем названий страниц, функциональных модулей и соответствующих номеров страниц. Это обеспечивает быструю навигацию и повышает удобство использования документа для команды.

Используйте блок-схему для модулей конструкции

Начните с общей блок-схемы, чтобы определить основные функциональные модули и их взаимосвязи. Это даёт общее представление об архитектуре системы и потоке сигналов.

Изображение пути потока сигналов с использованием иерархического проектирования

Применяйте иерархическое проектирование для декомпозиции сложных схем: используйте блоки верхнего уровня для системных модулей и листы нижнего уровня для детализации схем. Это упрощает понимание связей между модулями, уменьшает загромождённость и облегчает итерации проектирования.

Используйте стандартные условные обозначения компонентов

Следуйте стандартам IEEE/IPC для маркировки компонентов: R (резистор), C (конденсатор), U (интегральная схема), D (диод), Q (транзистор) и т.д. Единообразные обозначения устраняют путаницу и обеспечивают совместимость с отраслевыми инструментами.

Создавайте условные обозначения компонентов из стандартных библиотек

Используйте официальные или общепризнанные отраслевые библиотеки компонентов для создания обозначений. Избегайте пользовательских обозначений, если это не необходимо — стандартизация обеспечивает согласованность проектов и снижает риск ошибок.

Сократите ненужные соединения сети

Сведите к минимуму избыточные пересечения, висячие сети или неиспользуемые соединения. Используйте обозначения сетей вместо прямых проводов для повторяющихся подключений, чтобы повысить читаемость и упростить внесение изменений в проект.

Обеспечьте удобочитаемость при размещении компонентов

Размещайте компоненты логично и избегайте их перегруженности. Аккуратное размещение упрощает переход к трассировке печатной платы и повышает эффективность проверки проекта.

Размещайте компоненты, подключенные к кварцевым резонаторам, максимально близко

Размещайте кварцевые резонаторы, генераторы и связанные с ними конденсаторы/резисторы как можно ближе к контактам тактового сигнала МК. Это минимизирует помехи, сокращает длину проводников и улучшает целостность тактового сигнала.

Выполните проверку проектных правил для оценки целостности проекта

Запустите автоматическую проверку проектных правил (DRC) с помощью программного обеспечения для схемотехнического проектирования, чтобы выявить ошибки, такие как неподключённые выводы, короткие замыкания или недопустимые назначения компонентов. Устраните нарушения DRC перед переходом к трассировке.

Вручную проверьте соединения для устранения потенциальных ошибок

Дополните DRC ручной проверкой соединений: тщательно проверьте все цепи питания, сигнальные пути и подключения компонентов. Это позволяет выявить незначительные ошибки, которые могут быть пропущены автоматическими инструментами.

Создайте полный перечень элементов

Создайте подробный перечень элементов (BOM), включая важные сведения: условные обозначения компонентов, количество, значения, номера деталей производителя (MPNs), информацию о поставщиках и посадочные места. Полный перечень ускоряет процессы закупок и производства.

Примечания по использованию для Kingfield:

• Настройте блок заголовка и историю ревизий в соответствии со внутренними стандартами документации Kingfield.
• Для маркетинговой или технической документации дополните данное руководство примерами принципиальных схем, чтобы повысить его практическую ценность.
• Адаптируйте рекомендации под отраслевые требования, добавив примечания, связанные с соответствием нормативным стандартам.

Как создать эффективную принципиальную схему проекта печатной платы

Эффективное проектирование принципиальных схем ПП: краткое руководство

• Уточните цели : Определите приложение, функциональные блоки и ограничения.
• Выберите инструменты : Используйте Altium/KiCad/Eagle для обеспечения совместимости и поддержки библиотек компонентов.
• Стандартизируйте компоненты :

• • Используйте проверенные символы и посадочные места производителей.
  • Называйте как "U1_MCU_STM32F4"; добавляйте значения, корпуса, SPN.

• Оптимизируйте размещение :

• • Группируйте функциональные блоки логически; минимизируйте пересечения проводников.
  • Применяйте иерархический дизайн для сложных печатных плат.

• Обеспечить точность :

• • Проверьте цоколёвку по документации; добавьте защитные цепи.
  • Соблюдайте требования IPC-2221/ISO 13485/IATF 16949; маркируйте критические цепи.

• Четко аннотируйте :

• • Укажите условные обозначения, примечания к ключевым цепям, блок с наименованием.
  • Включите подробную спецификацию (BOM).

• Проверка и подтверждение :

• • Проверка самостоятельно/коллегами; моделирование критических цепей; проверка сетевого списка.

• Передача на трассировку экспорт сетевых списков/спецификаций/BOM/файлов Gerber; согласование критических требований.

Важность принципиальных схем печатных плат в проектировании печатных плат

• Базовый план : Преобразует электрические требования в реализуемую логику проектирования, направляя выбор компонентов, соединений и размещения.
• Профилактика ошибок : Проверяет целостность цепи на начальном этапе, снижая риск коротких замыканий и функциональных сбоев при производстве.
• Совместная работа между командами : Объединяет инженеров с помощью стандартизированной системы отсчёта для коммуникации.
• Соблюдение нормативных требований : Обеспечивает соответствие отраслевым стандартам за счёт документально подтверждённого замысла проекта.
• Диагностика и техническое обслуживание : Упрощает поиск неисправностей и ремонт после выпуска продукции.
• Ведомость материалов и закупки : Непосредственно формирует точную ведомость материалов (BOM) с детализацией компонентов для закупок.
• Масштабируемость и итерации : Поддерживает иерархический дизайн для сложных печатных плат и упрощает внесение изменений.
• Контроль затрат : Снижает затраты на переделку, позволяя выявлять ошибки проектирования на раннем этапе и избегая дорогостоящих итераций производства.

Процесс разработки схемы печатной платы: пошагово

Процесс разработки схемы печатной платы следует логическому, последовательному рабочему процессу, обеспечивающему точность, соответствие требованиям и беспроблемный переход к физической трассировке платы. Каждый шаг опирается на предыдущий, с четкими результатами и контрольными точками качества:

Определение требований к проекту

Этот базовый этап требует согласования между подразделениями, чтобы избежать расширения объема работ и необходимости переработки проекта. Начните с документирования:

• Электрические характеристики : Диапазоны входного/выходного напряжения, предельные значения рабочего тока, частоты сигналов и требования к устойчивости к шумам.
• Архитектура питания : Уточните источники питания, потребности в стабилизации напряжения и распределении питания.
• Требования к сигналам : Определите типы сигналов, протоколы связи и критические ограничения сигналов.
• Механические и эксплуатационные ограничения : Ограничения по размеру/форме печатной платы, диапазон рабочих температур и стандарты надежности.
• Стандарты соответствия : Требования регулирующих органов, влияющие на разработку схемы.

Создайте блок-схему

Преобразуйте DSD в высокоуровневую блок-схему для визуализации архитектуры системы. Основные шаги:

• Определите функциональные модули : Разделите систему на основные блоки.
• Определите соединения : Используйте стрелки для обозначения направления сигнала/питания между блоками. Подписывайте критические сети.
• Упрощение сложности : Для многомодульных систем группируйте связанные блоки. Используйте стандартные символы для ясности.
• Согласование с заинтересованными сторонами : Проверьте структурную схему, чтобы убедиться, что все требования учтены, и внесите корректировки до перехода к детальному проектированию.

Создание принципиальной схемы

Используйте профессиональное программное обеспечение САПР для реализации структурной схемы в виде подробной принципиальной схемы. Следуйте этим рекомендациям:

• Настройка параметров проекта : Настройте размер страницы, сетку и шаблоны проекта перед началом работы.
• Размещение компонентов :
  • Используйте стандартные библиотеки для размещения компонентов — избегайте пользовательских символов, если это абсолютно необходимо.
  • Группируйте компоненты по функциональным модулям и располагайте их для логического потока сигналов.
  • Обеспечьте доступность критически важных компонентов для последующей аннотации и перекрёстных ссылок.
• Маршрутизация цепей :
  • Используйте сетку для выравнивания цепей и избегайте беспорядочных, пересекающихся проводов.
  • Заменяйте длинные и избыточные провода метками цепей.
  • Для иерархических схем создайте лист верхнего уровня с блочными символами, а затем свяжите каждый блок с нижележащим листом, содержащим детальную схему.
• Перекрёстные ссылки : Используйте функции программного обеспечения для связи компонентов на многостраничных схемах и убедитесь в полноте всех соединений.

Добавление информации о компонентах

Обогатите схему полезными данными для производства, закупок и устранения неисправностей:

• Обозначения элементов : Назначайте стандартные обозначения по IEEE (согласно 4.10) последовательно. Избегайте дублирования или неоднозначных обозначений.
• Значения и характеристики компонентов : Указывайте точные параметры:
  • Резисторы: значение (10кОм), допуск (±1%), мощность (0,25 Вт), корпус (0402).
  • Конденсаторы: значение (10 мкФ), напряжение (16 В), диэлектрик (X5R), корпус (0603).
  • МС: номер детали (STM32F407VG), конфигурация выводов (DIP-40) и основные характеристики (32-битный ARM Cortex-M4).
• Данные производителя и типоразмера : Включайте номера деталей производителя (MPN), ссылки на документацию и обозначения посадочных мест на печатной плате.
• Аннотации : Добавляйте примечания для особых требований.

• Эта информация обеспечивает то, что схема является «изготавливаемой», и снижает вероятность ошибок при подборе компонентов и сборке.

Выполнить проверку электрических правил (ERC)

Проверка электрических правил (ERC) — это автоматизированный этап проверки, позволяющий выявить ошибки на уровне схемы до перехода к трассировке. Выполните следующие действия:

• Настройка правил ERC : Настройте правила, соответствующие программному обеспечению и требованиям вашего проекта.
• Запуск ERC : Выполните проверку и сформируйте отчет со списком нарушений.
• Устранение нарушений :
  • Критические ошибки: устраняйте немедленно.
  • Предупреждения: проанализируйте и устраните, если они имеют значение.
  • Информационный: Документ для будущего использования.
• Повторный запуск ERC : Повторяйте до тех пор, пока не останется критических ошибок. Для сложных схем проводите ручную проверку параллельно с ERC, чтобы выявить пограничные случаи.

Создать список соединений (Netlist)

Список соединений (netlist) — это текстовый файл, определяющий все компоненты, их выводы и сети, их соединяющие, — служит мостом между принципиальной схемой и топологией. Основные шаги:

• Выберите формат списка соединений : Выберите формат, совместимый с вашим программным обеспечением для разработки печатных плат.
• Создать список соединений : Используйте САПР-программу для экспорта списка соединений — убедитесь, что включены все компоненты, значения и соединения.
• Проверка точности списка соединений :
  • Проверьте выборку компонентов и цепей по схеме, чтобы подтвердить отсутствие пропущенных или неправильных соединений.
  • Убедитесь, что позиционные обозначения, номера деталей и посадочные места соответствуют схеме.
• Исправление ошибок сетевого списка : Исправьте проблемы, такие как «Неопределенная компонента» или «Недопустимое имя цепи», перед импортом в программное обеспечение для разводки.

• Чистый и точный сетевой список крайне важен для предотвращения ошибок при разводке и сокращения переделок печатной платы.

Переход к разводке печатной платы

Заключительным этапом проектирования схемы является подготовка к разводке — обеспечение беспроблемной передачи данных команде по проектированию печатной платы. Основные действия:

• Подготовка выходных данных схемы : Соберите окончательную схему (все страницы), отчет ERC, сетевой список, спецификацию (согласно 4.17), а также заметки по проектированию в один проектный пакет.
• Сообщение ограничений для разводки : Передайте ключевые требования команде по размещению компонентов.
• Согласование правил проектирования : Подтвердите правила размещения на основе ограничений схемы.
• Передача и совместная работа : Используйте инструменты контроля версий для обмена файлами и настройте цикл обратной связи — оперативно отвечайте на вопросы, касающиеся размещения.

• Команда размещения будет использовать список соединений для установки компонентов и трассировки проводников, сверяясь со схемой, чтобы обеспечить соответствие замыслу проекта.

Как читать принципиальные схемы печатных плат

Чтение принципиальной схемы печатной платы требует понимания её графического языка, логической структуры и ключевых элементов. Ниже приведено пошаговое руководство по отслеживанию цепей и расшифровке компонентов для сборки, поиска неисправностей и обратного проектирования.

Отслеживание цепей питания, заземления и сигналов

Схемы построены вокруг трёх основных типов цепей — освоив их, вы сможете ориентироваться в любом проекте:

Отслеживание цепей питания

Цепи питания подают энергию на все компоненты — начните с этого, чтобы понять «жизненную артерию» схемы:

• Определите источники питания : Найдите входной компонент питания.
• Проследите стабилизацию напряжения : Проследите путь питания от источника до стабилизаторов напряжения, которые преобразуют входное напряжение в пригодный для использования уровень. Обратите внимание на фильтрующие компоненты, уменьшающие шум.
• Составьте карту распределения питания : Отследите стабилизированные цепи питания, датчики (U3) и светодиоды (D1-D3).
• Проверьте развязывающие конденсаторы : Ищите малые по номиналу конденсаторы, подключенные между цепями питания и землёй рядом со схемами — они стабилизируют напряжение и фильтруют шум для отдельных компонентов.

Трассировка заземления

Заземление (GND) — это опорная точка для всех сигналов и питания, критически важная для стабильности схемы:

• Распознавание символов заземления : На схемах используются стандартные обозначения:
• Цифровое заземление: сплошная линия.
• Аналоговое заземление: треугольный символ.
• Корпусное заземление: символ с плоскостью заземления.
• Трассировка соединений заземления : Убедитесь, что все компоненты имеют путь к заземлению. Избегайте «плавающих» компонентов — они вызывают нестабильную работу.
• Обратите внимание на разделение заземлений : Для смешанных цепей аналоговые и цифровые цепи заземления часто сходятся в одной точке, чтобы уменьшить перекрестные помехи — проследите эту точку соединения, чтобы понять, как подавляются шумы.

Трассировка сигнальных путей

Сигнальные пути передают данные или управляющие сигналы между компонентами — следуйте по ним, чтобы понять принцип работы схемы:

• Прослеживание потока сигналов : Проследите сеть до места назначения — подключается к выводу 6 МК для аналого-цифрового преобразования. Обратите внимание на промежуточные компоненты.
• Отслеживание управляющих сигналов : Определите управляющие сигналы, которые включают/выключают компоненты.
• Работа с многолистовыми принципиальными схемами : Используйте оглавление и перекрёстные ссылки, чтобы отслеживать сигналы на разных листах.

Расшифровка позиционных обозначений для сборки и поиска неисправностей

Позиционные обозначения — это «имена» компонентов, и умение с ними работать имеет ключевое значение для практического использования принципиальных схем:

Стандартные префиксы позиционных обозначений

Запомните эти префиксы по стандарту IEEE, чтобы быстро определять типы компонентов:

Использование позиционных обозначений для сборки

При сборке печатной платы позиционные обозначения связывают компоненты схемы с физическими посадочными местами на печатной плате:

• Найти компоненты : На электрической схеме найдите позиционное обозначение и запишите его значение (10 кОм) и тип корпуса.
• Сопоставить с печатной платой : На физической печатной плате найдите маркировку шелкографии «R10» и установите соответствующий резистор 10 кОм в корпусе 0402.
• Проверка соответствия спецификации : Сверьте позиционные обозначения со спецификацией (BOM), чтобы обеспечить правильный подбор компонентов.

Использование обозначений для поиска неисправностей

Обозначения упрощают диагностику проблем в цепи:

• Поиск неисправных компонентов : Если датчик не работает, найдите его обозначение (U3) на схеме и проследите пути питания и заземления — используйте мультиметр, чтобы проверить наличие питания на выводе 1 элемента U3.
• Проверка сигнальных цепей : Если связь отсутствует, проследите цепь "UART_TX" от вывода 7 микроконтроллера U2 до вывода 3 разъёма J4 — проверьте наличие обрывов дорожек или неправильных номиналов компонентов.
• Сверка с технической документацией : Используйте номер детали по обозначению (из спецификации) для получения технического описания компонента — сравните подключение выводов со схемой.

Основные советы по чтению сложных схем

• Начните с функциональной схемы : Используйте блок-схему верхнего уровня, чтобы сориентироваться перед изучением детальной схемы — определите основной модуль и двигайтесь от него к периферии.
• Используйте аннотации : Обращайте внимание на примечания, поясняющие неочевидную логику.
• Группируйте компоненты по функциям : Мысленно объединяйте компоненты с одинаковым префиксом позиционного обозначения, чтобы понять отдельные схемы.
• Практикуйтесь на простых схемах : Начинайте с базовых схем, чтобы освоить отслеживание путей и распознавание позиционных обозначений, прежде чем переходить к сложным конструкциям.

Различие между принципиальной схемой ПП и топологией ПП

Сравнительная таблица

Этапы перехода от схемы к разводке

Определите контур платы и структуру слоев

Задайте размеры печатной платы; выберите количество слоев (2/4/6+), материал; укажите толщину меди и диэлектрические свойства.

Размещение компонентов

Располагайте по функциям, обеспечивайте целостность сигнала и технологичность; обеспечьте доступ для тестирования и сборки; избегайте перекрытия посадочных мест.

Выполните трассировку

Трассируйте по кратчайшим, малошумным путям; в первую очередь трассируйте питания/землю и высокоскоростные сигналы; соблюдайте согласование импеданса (50 Ом/100 Ом); минимизируйте пересечения.

Выполните проверку DRC

Запустите проверку правил проектирования для контроля ширины и расстояний проводников, размеров переходных отверстий и производственных правил; устраните нарушения (короткие замыкания, проблемы с зазорами) перед финализацией.

Подготовка производственных файлов

Экспорт файлов Gerber, сверловки, спецификации (BOM) и чертежей сборки; обеспечьте совместимость с производителями печатных плат

Лучшее программное обеспечение и инструменты для схемотехники PCB в 2024 году

Полезные советы по проектированию схем ПП для начинающих

• Начните с простых схем; практикуйтесь, копируя проекты с открытым исходным кодом.
• Всегда проверяйте технические описания компонентов на предмет цоколёвки, характеристик и совместимости посадочных мест.
• Используйте онлайн-ресурсы: обучающие видео на YouTube, форумы (Reddit r/PrintedCircuitBoard).

Распространённые условные обозначения на схемах печатных плат

Контрольный список для безупречной схемы печатной платы

• Правильные номера выводов/обозначения для всех компонентов
• Точные значения компонентов и позиционные обозначения
• Четкие межстраничные соединения
• Правильные развязывающие конденсаторы и полная спецификация
• Отсутствие неподключенных выводов или замкнутых цепей
• Соответствие стандартам IEEE/IPC

Заключение

Проектирование схемы печатной платы имеет ключевое значение для надежной разработки PCB. Успех требует технического планирования, точного выбора и подключения компонентов, а также соблюдения стандартов — это минимизирует ошибки при производстве, снижает затраты на переделку и гарантирует соответствие конечного продукта требованиям.

Часто задаваемые вопросы

В1: Подходит ли KiCad для профессионального проектирования печатных плат?

A1: Да — поддерживает сложные многоплановые конструкции и экспорт производственных файлов, широко используется стартапами и малыми и средними предприятиями.

В2: В чем разница между ERC и DRC?

О2: ERC проверяет ошибки на принципиальной схеме; DRC проверяет физические ограничения топологии.

В3: Зачем нужны разделительные конденсаторы?

О3: Они стабилизируют напряжение питания микросхем, фильтруют шумы и предотвращают провалы напряжения от переходных токов.

В4: Как выбрать между двухслойными и четырехслойными печатными платами?

О4: Двухслойные — для простых схем; четырехслойные — для сложных конструкций.