Як створити проект схеми PCB: ефективне проектування схеми PCB

Створення схеми PCB: Основи проектування електричних кіл

Вступ

Друковані плати (PCB) лежать в основі майже всіх сучасних електронних пристроїв — від смартфонів і комп'ютерів до промислових систем керування та медичного обладнання. Схема PCB у світі конструювання друкованої плати , визначаючи кожне електричне з'єднання, потік сигналів і взаємозв'язок компонентів, які набудуть фізичної форми у кінцевому продукті. Створення надійної та зрозумілої сХЕМАТИЧНИЙ ЗОБРАЗ має ключове значення не лише для інновацій та функціонального успіху, але й для діагностики, виробництва та контролю якості під час Виготовлення ПЗУ процесу.

Чому слід починати з проектування схеми PCB?

Проект PCB завжди починається з добре складеної схеми. Ця схема забезпечує логічне представлення проект електронного кола, в якому детально описано все: від розподілу живлення та заземлення, маркування мереж і символів компонентів до систематичної організації потоку сигналів. Засоби автоматизації електронного проектування (EDA) — такі як OrCAD, Altium Designer, KiCad та EasyEDA — дозволяють цифрового створення цих складних проектів, закладаючи основу для наступних процесів, таких як Розташування друкованої плати , перевірка списку з'єднань , а згодом і Монтаж ПЛІ .

Яке значення має принципова схема?

• Формалізує добре структуроване коло — є основою для проектування та усунення несправностей.
• Необхідна для співпраці між інженерами, техніками та виробниками.
• Керівництво з виробництва та ремонту у майбутньому.

Основні елементи схеми друкованої плати

• Електронні символи : Резистори, конденсатори, ІМС тощо.
• Мережі / дроти : Електричні з'єднання та передача сигналів.
• Позначення/назви мереж : Для чітких і окремих сигналів.
• Символи живлення/заземлення: Чітко позначені точки живлення та опорні точки.
• Позначення компонентів: згідно зі стандартами IEEE.

Керівництво щодо створення схем PCB

Добре структурована схема PCB є основою надійного розроблення продуктів, забезпечуючи чіткість, можливість виробництва та ефективну співпрацю. Нижче наведено основні рекомендації для професійного проектування схем:

Виберіть відповідний розмір сторінки

Оберіть розміри сторінки, які відповідають масштабу та складності схеми — уникайте перевантаження простих схем або марнотратства місця на надто великих сторінках. Це забезпечує баланс між читабельністю та зручністю роботи з документом.

Називайте сторінки в алфавітному порядку

Логічно розділяйте багатосторінкові схеми за функціональними модулями та називайте сторінки в алфавітному порядку. Це спрощує навігацію та перехресне посилання.

Використовуйте систему сітки для опорних точок

Увімкніть систему сітки для рівномірного вирівнювання компонентів, ліній з'єднань і символів. Це спрощує трасування з'єднань, забезпечує візуальну узгодженість і полегшує точне перехресне посилання під час огляду проекту.

Додайте заголовковий блок у нижній частині сторінки

Додайте стандартизований бланк заголовка в нижній частині кожної сторінки, що містить важливі метадані: розмір сторінки, номер ревізії документа, унікальний ідентифікатор документа, ім'я та контактні дані розробника, дату розробки, логотип компанії. Це підвищує відстежуваність і професійний рівень документа.

Додати важливі примітки/коментарі

Вставте ключові анотації щодо важливих деталей конструкції: конфігурації джамперів, обмеження трасування друкованої плати, розташування контрольних точок або спеціальні вимоги до компонентів. Уточніть неочевидну логіку, щоб уникнути неправильного тлумачення.

Включити історію ревізій

Підтримуйте розділ історії ревізій для відстеження змін. Це забезпечує відповідальність, спрощує керування версіями та сприяє дотриманню стандартів якості.

Включити Зміст

Для багатосторінкових або складних проектів додайте зміст із переліком назв сторінок, функціональних модулів та відповідних номерів сторінок. Це дозволяє швидко переміщатися по документу та покращує його зручність використання для команд.

Використовуйте блок-схему для модулів конструкції

Почніть зі схеми високого рівня, щоб визначити основні функціональні модулі та їх взаємозв'язки. Це забезпечує загальний огляд архітектури системи та потоку сигналів.

Відобразіть шлях потоку сигналів за допомогою ієрархічного проектування

Використовуйте ієрархічне проектування для декомпозиції складних схем: застосовуйте блоки верхнього рівня для системних модулів та нижчі рівні для деталізації схем. Це уточнює з'єднання між модулями, зменшує захаращення та спрощує ітерації проектування.

Використовуйте стандартні позначення компонентів

Дотримуйтесь стандартів IEEE/IPC для маркування компонентів: R (резистор), C (конденсатор), U (інтегральна схема), D (діод), Q (транзистор) тощо. Узгоджені позначення усувають плутанину та забезпечують сумісність з галузевими інструментами.

Створюйте символи компонентів із стандартних бібліотек

Використовуйте офіційні або загальновизнані галузеві бібліотеки компонентів для створення символів. Уникайте нестандартних символів, якщо це необхідно — стандартизація забезпечує узгодженість у проектах та зменшує ризик помилок.

Зменшіть непотрібні мережеві з'єднання

Мінімізуйте зайві перетини, висячі мережі або невикористані з'єднання. Використовуйте позначення мереж замість прямих дротів для повторюваних з'єднань, щоб підвищити читабельність і спростити внесення змін у проект.

Забезпечуйте читабельність при розміщенні компонентів

Розташовуйте компоненти логічно та уникайте перевантаженості. Акуратне розміщення спрощує перехід до розробки розташування друкованої плати та підвищує ефективність перевірки проекту.

Розміщуйте компоненти, підключені до кварцових резонаторів, якомога ближче

Розташовуйте кварцові резонатори, генератори та пов’язані з ними конденсатори/резистори якомога ближче до контактів годинникового сигналу МК. Це мінімізує перешкоди, скорочує довжину слідів і покращує цілісність годинникового сигналу.

Виконайте перевірку правил проектування (DRC) для оцінки цілісності проекту

Запустіть автоматичну перевірку правил проектування (DRC) за допомогою програмного забезпечення для схемотехнічного моделювання, щоб виявити помилки, такі як непідключені виводи, короткі замикання або недійсні призначення компонентів. Усуньте порушення DRC перед переходом до розробки розташування.

Вручну перевірте мережі, щоб усунути потенційні помилки

Доповніть DRC ручною перевіркою мереж: звірте всі мережі живлення, сигнальні шляхи та підключення компонентів. Це допоможе виявити незначні помилки, які можуть бути пропущені автоматизованими інструментами.

Створіть повний перелік матеріалів (BOM)

Створіть детальний перелік матеріалів (BOM), включно з важливими даними: позначеннями компонентів, кількістю, значеннями, номерами деталей виробника (MPN), інформацією про постачальників та умовними позначеннями. Повний BOM прискорює процеси закупівлі та виробництва.

Примітки щодо використання для Kingfield:

• Налаштуйте блок заголовка та історію ревізій відповідно до внутрішніх стандартів документації Kingfield.
• Для маркетингової або технічної документації поєднайте цей посібник із прикладами схем, щоб підвищити практичну цінність.
• Адаптуйте рекомендації під галузеві вимоги, додаючи примітки, пов’язані з відповідністю нормативним вимогам.

Як створити ефективну принципову схему проектування друкованої плати

Ефективне проектування принципових схем PCB: стислий посібник

• Уточніть цілі : Визначте застосування, функціональні блоки та обмеження.
• Виберіть інструменти : Використовуйте Altium/KiCad/Eagle для сумісності та підтримки бібліотек компонентів.
• Уніфікуйте компоненти :

• • Використовуйте перевірені символи/посадовки виробників.
  • Називайте як "U1_MCU_STM32F4"; додавайте значення, корпуси, SPN.

• Оптимізуйте розташування :

• • Групуйте функціональні блоки логічно; мінімізуйте перетини провідників.
  • Застосовуйте ієрархічний дизайн для складних друкованих плат.

• Забезпечити точність :

• • Перевірте виводи за даними технічної документації; додайте захисні кола.
  • Дотримуйтесь вимог IPC-2221/ISO 13485/IATF 16949; позначте критичні траси.

• Чітко анотовано :

• • Включіть позначення елементів, примітки до ключових кіл, блок назви.
  • Інтегруйте детальний перелік компонентів (BOM).

• Перевірка та підтвердження :

• • Самоперевірка/перевірка колегою; моделювання критичних кіл; перевірка списку з'єднань (netlist).

• Передача на трасування експорт списків з'єднань/BOM/Gerber-файлів; доведення критичних вимог.

Важливість принципових схем ПЛІТ у проектуванні друкованих плат

• Базовий шаблон : Перетворює електричні вимоги на практичну логіку проектування, спрямовуючи вибір компонентів, з'єднань і розташування.
• Запобігання помилкам : На початковому етапі перевіряє цілісність схеми, зменшуючи кількість коротких замикань/функціональних відмов під час виробництва.
• Співпраця між командами : Об'єднує інженерів за допомогою стандартизованого довідкового матеріалу для комунікації.
• Підпорядкованість регуляціям : Забезпечує відповідність галузевим стандартам шляхом документування мети проектування.
• Діагностика та обслуговування : Сприяє усуненню несправностей і ремонтним роботам після випуску продукції.
• Специфікація та закупівлі : Безпосередньо формує точну специфікацію (BOM) з даними компонентів для закупівель.
• Масштабування та ітерація : Підтримує ієрархічний дизайн для складних друкованих плат і спрощує внесення змін.
• Контроль витрат : Зменшує витрати на переділку, виявляючи дефекти проектування на ранніх етапах і уникнувши дорогих ітерацій виробництва.

Процес проектування схеми друкованої плати: крок за кроком

Процес проектування схеми друкованої плати передбачає логічну, послідовну робочу процедуру, щоб забезпечити точність, відповідність вимогам та безперебійний перехід до фізичного розташування компонентів на платі. Кожен крок базується на попередньому, із чіткими результатами та контрольними точками якості:

Визначення вимог до проекту

Цей базовий крок потребує міждисциплінарної узгодженості, щоб уникнути розширення обсягу робіт і необхідності переділки проекту. Почніть із документування:

• Електричні специфікації : Діапазони вхідної/вихідної напруги, граничні значення робочого струму, частоти сигналів та вимоги до стійкості до шумів.
• Архітектура живлення : Уточніть джерела живлення, потребу у стабілізації напруги та розподіл енергії.
• Вимоги до сигналів : Визначте типи сигналів, протоколи зв'язку та критичні обмеження сигналів.
• Механічні та експлуатаційні обмеження : Обмеження розміру/форми друкованої плати, діапазон робочих температур та стандарти надійності.
• Стандарти відповідності : Нормативні вимоги, що впливають на схемотехнічне проектування.

Створіть структурну схему

Перетворіть DSD на структурну схему високого рівня, щоб візуалізувати архітектуру системи. Основні кроки:

• Визначте функціональні модулі : Розділіть систему на основні блоки.
• Визначте взаємозв'язки : Використовуйте стрілки, щоб вказати напрямок сигналу/живлення між блоками. Позначайте критичні мережі.
• Спростити складність : Для багатомодульних систем групуйте пов'язані блоки. Використовуйте стандартні символи для ясності.
• Узгодити з зацікавленими сторонами : Перевірте структурну схему, щоб переконатися, що всі вимоги враховано, і внесіть зміни перед тим, як переходити до детального проектування.

Створення схеми

Використовуйте професійне CAD-програмне забезпечення, щоб реалізувати структурну схему у вигляді деталізованої схеми. Дотримуйтесь таких найкращих практик:

• Налаштування параметрів проекту : Налаштуйте розмір сторінки, систему сітки та шаблони проекту перед початком роботи.
• Розміщення компонентів :
  • Використовуйте стандартні бібліотеки для розміщення компонентів — уникайте нестандартних символів, якщо це не є абсолютно необхідним.
  • Групуйте компоненти за функціональними модулями та розташовуйте їх для логічного проходження сигналів.
  • Забезпечте доступність критичних компонентів для подальшого анотування та перехресних посилань.
• Маршрутизація мереж :
  • Використовуйте сітку для вирівнювання мереж і уникайте безладного перетинання проводів.
  • Замінюйте довгі, надлишкові проводи мітками мереж.
  • Для ієрархічних схем створюйте аркуш верхнього рівня з блоковими символами, а потім зв'язуйте кожен блок з нижчим рівнем, що містить детальну схему.
• Перехресні посилання : Використовуйте функції програмного забезпечення для зв'язування компонентів у багатосторінкових схемах і переконайтеся, що всі з'єднання повністю встановлені.

Додавання інформації про компоненти

Збагачуйте схему дієвими даними для виробництва, закупівлі та усунення несправностей:

• Позначення елементів : Призначте позначення за стандартом IEEE (згідно з 4.10) послідовно. Уникайте дублювання або неоднозначних позначень.
• Значення та характеристики компонентів : Вказуйте точні параметри:
  • Резистори: значення (10кОм), допуск (±1%), потужність (0,25 Вт), корпус (0402).
  • Конденсатори: значення (10 мкФ), робоча напруга (16 В), діелектрик (X5R), корпус (0603).
  • ІС: номер деталі (STM32F407VG), конфігурація виводів (DIP-40) та основні характеристики (32-біт ARM Cortex-M4).
• Виробник та дані про конструкцію : Включіть номери деталей виробника (MPN), посилання на технічні описи та позначення конструкції друкованої плати.
• Аннотації : Додайте примітки щодо спеціальних вимог.

• Ця інформація забезпечує те, що схема є «виготовлюваною», і зменшує кількість помилок під час постачання компонентів і збирання.

Виконати перевірку електричних правил (ERC)

ERC — це автоматизований етап перевірки, який дозволяє виявити помилки на рівні схеми перед переходом до розташування. Дотримуйтесь такого процесу:

• Налаштувати правила ERC : Налаштуйте правила, специфічні для програмного забезпечення, відповідно до вимог вашого проекту.
• Запустити ERC : Виконайте перевірку та створіть звіт із переліком порушень.
• Усунути порушення :
  • Критичні помилки: усунути негайно.
  • Попередження: перевірити та усунути, якщо мають значний вплив.
  • Інформаційний: Документ для майбутнього використання.
• Повторне виконання перевірки електричних зв'язків : Повторюйте, доки не залишиться жодних критичних помилок. Для складних схем проведіть ручний огляд разом із перевіркою електричних зв'язків, щоб виявити граничні випадки.

Створити список з'єднань

Список з'єднань — це текстовий файл, який визначає всі компоненти, їхні виводи та мережі, що їх з'єднують, — виступає мостом між принциповою схемою та топологією. Основні кроки:

• Виберіть формат списку з'єднань : Виберіть формат, сумісний із вашим програмним забезпеченням для проектування друкованих плат.
• Згенеруйте список з'єднань : Скористайтеся CAD-програмою для експорту списку з'єднань — переконайтеся, що включено всі компоненти, значення та з'єднання.
• Перевірка точності списку з'єднань :
  • Перевірте зразок компонентів і мереж за принциповою схемою, щоб підтвердити відсутність відсутніх або неправильних з'єднань.
  • Переконайтеся, що позначення елементів, номери деталей і умовні позначення відповідають принциповій схемі.
• Виправити помилки списку з'єднань : Виправте проблеми, такі як "Невизначений компонент" або "Недійсне ім'я мережі", перш ніж імпортувати до програмного забезпечення розташування.

• Чистий і точний список з'єднань має вирішальне значення для уникнення помилок розташування та зменшення переділу друкованих плат.

Перехід до розташування PCB

Останнім кроком у проектуванні схеми є підготовка до розташування — забезпечення плавної передачі команді з проектування PCB. Основні дії:

• Пакет документів схеми : Зібрати остаточну схему (всі сторінки), звіт ERC, список з'єднань, BOM (згідно з 4.17), та нотатки з проектування в один проектний пакет.
• Доведіть обмеження розташування : Передайте ключові вимоги команді з макетування.
• Узгодження правил проектування : Підтвердіть правила макетування на основі обмежень схеми.
• Передача та співпраця : Використовуйте інструменти контролю версій для обміну файлами та налаштуйте цикл зворотного зв’язку — оперативно вирішуйте запитання, пов’язані з макетуванням.

• Команда макетування використовуватиме перелік з'єднань для розташування компонентів і прокладання трас, орієнтуючись на схему, щоб забезпечити відповідність задуму проектування.

Як читати схеми друкованих плат

Читання схеми друкованої плати вимагає розуміння її візуальної мови, логічної структури та основних елементів. Нижче наведено поетапний посібник з відстеження шляхів і розшифровки компонентів для складання, усунення несправностей і зворотного інженерингу.

Відстеження шляхів живлення, заземлення та сигналів

Схеми організовані навколо трьох основних типів шляхів — опануйте їх, щоб орієнтуватися в будь-якому дизайні:

Відстеження шляхів живлення

Шляхи живлення забезпечують енергією всі компоненти — почніть з цього, щоб зрозуміти «життєву кров» схеми:

• Визначте джерела живлення : Знайдіть вхідний компонент живлення.
• Слідкуйте за стабілізацією напруги : Відстежте шлях живлення від джерела до стабілізаторів напруги, які перетворюють вхідну напругу на придатний рівень. Зверніть увагу на фільтруючі компоненти, що зменшують шум.
• Складіть карту розподілу живлення : Відстежте стабілізовані мережі живлення, сенсори (U3) та світлодіоди (D1-D3).
• Перевірте розділові конденсатори : Шукайте малі конденсатори, підключені між мережами живлення та заземленням поблизу мікросхем — вони стабілізують напругу та фільтрують шум для окремих компонентів.

Відстеження шляхів заземлення

Заземлення (GND) є опорною точкою для усіх сигналів та живлення — критично важливо для стабільності схеми:

• Розпізнавання символів заземлення : На схемах використовуються стандартні символи:
• Цифрове заземлення: суцільна лінія.
• Аналогове заземлення: трикутний символ.
• Корпусне заземлення: символ із площиною заземлення.
• Відстеження підключень до заземлення : Переконайтеся, що всі компоненти мають шлях до заземлення. Уникайте «плаваючих» компонентів — це призводить до нестабільної роботи.
• Звертайте увагу на розділення заземлень : Для аналогово-цифрових схем аналогові та цифрові землі часто зводяться в одній точці, щоб зменшити перехідні завади — простежте цю точку з'єднання, щоб зрозуміти, як зменшуються шуми.

Простеження маршрутів сигналів

Маршрути сигналів передають дані або керуючі сигнали між компонентами — слідкуйте за ними, щоб зрозуміти роботу схеми:

• Простежити потік сигналу : Слідуйте за мережею до місця призначення — підключено до виводу 6 МК для аналого-цифрового перетворення. Зверніть увагу на проміжні компоненти.
• Відстеження керуючих сигналів : Визначте керуючі сигнали, які вмикають/вимикають компоненти.
• Робота з багатосторінковими схемами : Використовуйте зміст і перехресні посилання, щоб відстежувати сигнали на різних сторінках.

Розшифровка позначень елементів для збирання та усунення несправностей

Позначення елементів — це «назви» компонентів; вивчення їх є ключем до практичного використання схем:

Стандартні префікси позначень елементів

Вивчіть ці префікси за стандартом IEEE, щоб швидко визначати типи компонентів:

Використання позначень для збірки

Під час збірки друкованої плати позначення встановлюють відповідність між компонентами схеми та фізичними посадковими місцями на платі:

• Знаходження компонентів : На схемі знайдіть позначення та запишіть його значення (10 кОм) та тип корпусу.
• Зіставлення з платою : На фізичній друкованій платі знайдіть напис «R10» на шовковому шарі та припаяйте відповідний резистор 10 кОм у корпусі 0402.
• Перевірка відповідності специфікації : Звірте позначення зі специфікацією (BOM), щоб забезпечити правильне постачання компонентів.

Використання позначень для усунення несправностей

Позначення спрощують діагностику проблем у схемі:

• Локалізуйте несправні компоненти : Якщо датчик не працює, знайдіть його позначення (U3) на схемі та відстежте шляхи живлення та заземлення — скористайтеся мультиметром, щоб перевірити наявність напруги на контакті 1 елемента U3.
• Перевірте шляхи сигналів : Якщо зв'язок втрачено, відстежте мережу "UART_TX" від контакту 7 МК U2 до контакту 3 роз'єму J4 — перевірте наявність обірваних доріжок або неправильних номіналів компонентів.
• Звірте технічні описи : Скористайтеся номером деталі за позначенням (з переліку матеріалів) для отримання технічного опису компонента — перевірте правильність підключення виводів відповідно до схеми.

Основні поради щодо читання складних схем

• Починайте з блок-схеми : Використовуйте діаграму високого рівня, щоб орієнтуватися перед тим, як занурюватися в детальну схемотехніку — визначте основний модуль і рухайтеся назовні.
• Використовуйте анотації : Звертайте увагу на примітки, які пояснюють неочевидну логіку.
• Групуйте компоненти за функцією : Уявно об'єднуйте компоненти з однаковим префіксом позначення, щоб зрозуміти підсхеми.
• Практикуйтеся на простих схемах : Починайте з базових кіл, щоб опанувати відстеження шляхів і розпізнавання позначень, перш ніж переходити до складних конструкцій.

Різниця між принциповою схемою друкованої плати та розташуванням друкованої плати

Порівняльна таблиця

Кроки переходу від схеми до розташування

Визначення контуру плати та структури шарів

Встановіть розміри друкованої плати; виберіть кількість шарів (2/4/6+) та матеріал; вкажіть товщину міді та діелектричні властивості.

Розміщення компонентів

Розташовуйте за функціями, віддавайте пріоритет цілісності сигналу та можливості виробництва; забезпечте доступ для тестування/складання; уникайте накладання контактних майданчиків.

Виконання трасування

Трасуйте по найкоротших, низькоперешкодних шляхах; пріоритет для живлення/заземлення та високошвидкісних сигналів; дотримуйтесь узгодження імпедансу (50 Ом/100 Ом); мінімізуйте перетини.

Виконання ДРК

Запустіть перевірку проектних правил для підтвердження ширини/відстаней трас, розміру переходів та виробничих правил; усуньте порушення (короткі замикання, проблеми з відстанями) перед фінальним затвердженням.

Підготовка виробничих файлів

Експортуйте Gerber-файли, файли свердління, BOM та креслення збірки; забезпечте сумісність із виробниками друкованих плат.

Найкраще програмне забезпечення та інструменти для схем PCB у 2024 році

Корисні поради щодо проектування схем друкованих плат для початківців

• Починайте з простих кіл; практикуйтеся, копіюючи проекти з відкритим кодом.
• Завжди перевіряйте технічні характеристики компонентів щодо розташування виводів, характеристик та сумісності конструкції.
• Користуйтесь онлайн-ресурсами: навчальні відео на YouTube, форуми (Reddit r/PrintedCircuitBoard).

Поширені умовні позначення на принципових схемах друкованих плат

Контрольний список для бездоганної схеми ПЛП

• Правильні номери виводів/позначення для всіх компонентів
• Точні значення компонентів та позначення елементів
• Чіткі позасторінкові з'єднання
• Наявність усіх розчеплювальних конденсаторів та повний перелік матеріалів (BOM)
• Відсутні непідключені виводи або замкнуті мережі
• Відповідність стандартам IEEE/IPC

Висновок

Розробка схеми ПЛП є ключовим етапом створення надійної друкованої плати. Успіх потребує технічного планування, точного підбору компонентів та їх з'єднань, а також дотримання стандартів — це мінімізує помилки виробництва, скорочує витрати на переділку та забезпечує відповідність кінцевого продукту вимогам.

Часто задані питання

Питання 1: Чи підходить KiCad для професійного проектування друкованих плат?

Відповідь 1: Так — він підтримує складні багатошарові конструкції та експорт файлів для виробництва, широко використовується стартапами та МСП.

Питання 2: У чому різниця між перевіркою правил з'єднання (ERC) та перевіркою правил проектування (DRC)?

Відповідь 2: ERC перевіряє помилки на схемі; DRC перевіряє фізичні обмеження розташування компонентів.

Питання 3: Навіщо потрібні розчеплювальні конденсатори?

Відповідь 3: Вони стабілізують напругу живлення мікросхем, фільтрують шуми та запобігають провалам напруги через перехідні струми.

Питання 4: Як вибрати між 2-шаровою та 4-шаровою друкованою платою?

Відповідь 4: 2-шарова — для простих схем; 4-шарова — для складних конструкцій.