Проектируем печатную плату. Часть 1

Когда вы проектируете печатную плату на компьютере, действия происходят на абстрактном уровне, и легко забыть, что вы прежде всего работаете над физическим носителем. До того как приступить к разработке проекта, я думаю, окажется полезно знать, чем вы в действительности заняты.

Что вообще такое печатная плата?

Это пластина из диэлектрического материала, на поверхности (и, возможно, во внутренних слоях) сформированы медные токопроводящие контактные дорожки, металлизированные межслойные соединительные проходы, площадки для пайки выводов электронных и коммутационных элементов, а также различные монтажные и вспомогательные отверстия. Нужна для формирования электрических цепей и механических соединений компонентов пайкой, образуя так рабочее устройство.

Материалы для изготовления печатных плат

Сначала разберёмся, какие материалы входят в состав. На самом базовом уровне основа изготавливают из какого-то твёрдого электроизоляционного материала. Затем его полностью ламинируют медной фольгой, создавая электропроводящую поверхность.

На заре технологии в качестве основы чаще выступал картон, пропитанный эпоксидными синтетическими смолами. Он носил название гетинакс. Имея ряд недостатков, гетинакс уступил место композитному стеклотекстолиту – «пирогу» из множества слоёв стеклоткани, прочно склеенных между собой полиэфирной смолой.

Сегодня базовым материалом является FR4. Его применяют «по-умолчанию» при выпуске печатных плат в специализированных производствах, его будем рассматривать в рамках статьи. Он самый распространённый, поскольку дёшев, прочен и с низкой электропроводностью. Для схем с особыми требованиями основой есть специальные материалы — допустим, керамика для высокочастотных схем, алюминий для схем с высоким тепловыделением, каптон для особо гибких печатных плат, а также политетрафторэтилен (ПТФЭ) для плат, устойчивых к химическому и температурному воздействию. В статье платы из спецматериалов рассматриваться не будут. Если нужно решение из такого материала, значит вы уже точно не новичок и есть начальный опыт в проектировании.

Стеклоткань и сплошной слой меди – это все, что входит в состав голой печатной платы. Когда проект направляется на производство (или изготавливается самостоятельно), электрические соединения получают, удаляя лишнюю медь физическим или механическим способом, формируя токопроводящие дорожки и контактные площадки.

Количество слоёв

Наиболее простые — это однослойные (односторонние) платы. В них базовый материал имеет металлизацию только с одной стороны. С ними невероятно легко работать. Если вы делаете печатную плату самостоятельно дома, вы, вероятно, станете проектировать одностороннюю, так как изготовить её более-менее приемлемого качества удастся и на дому.

Хотя односторонние платы просты в изготовлении, они одновременно создают множество проблем при разводке. Поскольку предстоит работать только с одним слоем металлизации, вы не сумеете организовать перекрёстные электрические соединения без помощи каких-то внешних элементов, к примеру, перемычек, что увеличивает трудоёмкость электрического монтажа. Из-за этого недостатка большинство простых коммерческих и любительских схем реализуются на двухслойных (двусторонних) основах, а также платах со множеством слоёв. На них легко создать перекрёстные электросоединения, что позволяет создавать более сложную, но элегантную топологию.

Для всех проектов, кроме самых простых, рекомендуется проектировать именно двухстороннюю основу. Это наиболее рациональный и экономически оправданный метод. Многослойные основы рекомендуется применять только при сложных путях движения сигналов, когда даже двухслойной компоновки не хватает. Большинству начинающих проектировщиков не стоит делать больше двух слоев. Применение четырёхслойных, шестислойных и более очень скачкообразно увеличивает стоимость производства при очевидной невозможности изготовления дома.

Медные токопроводящие дорожки

Медные дорожки — самая важная часть конструкции. Поэтому нужно понимать ограничения при проектировании этих дорожек.

Как упоминалось выше, медные следы создают удалением ненужной меди из сплошной толщи фольги, находящейся поверх стеклотканевого основания. Выходит, дорожки — тончайшие медные «прожилки», «оставшиеся» после удаления ненужной меди. Среди новичков популярно мнение, что дорожки изготавливаются путём напыления или литья меди в заранее отфрезерованные каналы в стеклотекстолите. Это категорически неверно. Малая толщина слоя меди вносит ограничение при трассировке дорожек: важно представлять себе техническую возможность нанесения дорожек нужной конфигурации, прокладки их в нужных местах, учитывать электрическую нагрузочную способность. Подробнее будет описано далее.

Переходные межслойные отверстия

Последней «основной» частью являются переходные межслойные отверстия. Эти отверстия используются в многослойных платах и электрически соединяют между собой разные слои. По сути, существует всего три типа переходных межслойных отверстий:

Декоративные и информационные элементы

Все рассмотренные компоненты анатомии печатной платы несут чисто функциональную роль и работоспособность без любого из них невозможна. Но кроме «базовых» элементов, существует ряд вспомогательных элементов, несущих вспомогательную роль:

Перед проектированием и воплощением идеи в виде физического носителя, нужно иметь четкое представление, как будет выглядеть конструкция, и какие функции выполнять. Нужно время, чтобы сесть и определить, чего хотите достичь, рассмотреть сложности, составить список, что потребуется для реализации проекта.

Первый шаг создания идеального устройства — составление чёткого набора целей, которых вы хотите достичь с помощью своей конструкции. Цели проекта должны быть аналогичны SMART-целям, применяемым в бизнесс-процессах:

В качестве иллюстрации приведу пример работы над одним из собственных небольших проектов. В ванной комнате в моей квартире ночью совершенно темно, и передвигаться приходится с трудом, а верхний свет слишком яркий и вызывает дискомфорт. Чтобы решить эту проблему, я решил просто пойти в магазин и купить светильник-ночник. К сожалению, я слишком придирчив и не смог найти лампу, устроившую меня. Тогда возникла идея создать собственный светильник: мне нужна была многоцветная лампа с регулируемой яркостью и беспроводным управлением. Звучит отлично, правда? Идея была записана в блокнот и я стал думать над ней. Тогда цели не отличались чёткостью:

Но эти цели не являются конкретными. Что я подразумеваю под «многоцветная»? Два цвета, три или, скажем, любой из существующих? А что такое «регулируемая яркость»? Два или три режима яркости или бесступенчатая регулировка? Ну а «беспроводное управление»? Wi-Fi, Bluetooth, RF (смотри статью «Телекоммуникационные сети: история появления, разновидности») или включение по хлопку? Любой из этих вариантов подходит под мои нечёткие требования.

Доработка моих идей до SMART-целей привела к списку целей:

Теперь мои цели соответствуют SMART-целям и позволяют двигаться вперед с чётким видением того, чего требуется достичь. Проведение исследования и формирование SMART-целей позволит встать на правильный путь к созданию идеального проекта.

Теперь, при чётком понимании, что хотите, время приступить непосредственно к проектированию. Прежде чем начнете, как инженер Тимофеев, персонаж известного кинофильма «Иван Васильевич меняет профессию», бегать по магазинам в поисках нужных электронных компонентов или приступите к зарисовке эскизов схем на бумаге (смотри статью «ТОП-10 практических советов начинающему разработчику электронных устройств»), рекомендуется потратить время, чтобы составить ясное представление, как должно работать устройство. Создайте прототип в голове, а затем перенесите на бумагу! Нужно определить, как отдельные модули устройства будут согласованно работать вместе. Это то, чем заняты инженеры-системотехники.

Вы можете не знать технических подробностей, но уже продумаете, как каждый компонент или модуль будет взаимодействовать, какие дополнительные компоненты или модули потребуются, а какие, наоборот, не нужны.

Теперь пора рассмотреть эстетический аспект проекта. Хотите соответствовать определенному форм-фактору и дизайну? Уверен, не хотите, чтобы, проект выглядел как нагромождение деталей и лапша из проводов, обильно стянутые синей изолентой и пластиковыми хомутами. Ну, а нужно ли учитывать эргономику (допустим, когда разрабатываете игровой контроллер)? Сможете ли взять готовое устройство через год и понять, как оно работает? Если нет, то значит, этап работы над дизайном и эргономикой явно был упущен. А эти шаги, хотя и кажущиеся незначительными, отличают плохой проект от хорошего.

Да, этот этап кажется лишним: хочется его пропустить и пойти дальше, но уверяю, что он чрезвычайно важен. На этапе представления и визуализации закладывается фундамент для хода работы. Если не верите мне, то прочтите слова выдающегося изобретателя и инженера Николы Теслы, описывающие его творческий процесс:

...У меня другой подход. Я не тороплюсь с реальной работой. Когда у меня появляется идея, я сразу начинаю воплощать её в воображении. Я меняю конструкцию, вношу улучшения и управляю устройством в уме. Мне совершенно безразлично, запускать машину в мыслях или испытывать её в реальности...

Конечно, многие мастера и инженеры не на том уровне гениальности, каким является Никола Тесла, но следовать его принципам по силам каждому. Обдумывайте и визуализируйте свой проект — это сэкономит силы, время и деньги.

Это самый утомительный этап, но он одновременно важнейший. Подбор компонентов для проекта становится решающим фактором, который приведёт к успешному завершению проекта, а не к разочарованию.

Все производители электронных компонентов, стараются, чтобы сделать свою продукцию надёжной и наименее затратной. Но продукцию не всех компаний стоит сравнивать. Это актуально, когда требуется сделать предельно дешёвое устройство. Поскольку на рынке сотни тысяч (или даже миллионов) различных электронных компонентов, сложно дать описание всех, но показать принципы подбора запчастей для своего проекта вполне возможно.

При переходе к поиску запчастей рабочим способом становится анализ каталога любимого поставщика электронных компонентов. Так вы со 100% точностью будете знать их стоимость и наличие на складе. Но информационное сопровождение продукции у поставщиков не всегда на нужном уровне.

Другой способ поиска запчастей – зайти на сайт конкретной компании-производителя и посмотреть каталог компонентов в поисках нужного решения. Например, если для проекта нужен аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) (смотри статью «ТОП-10 типовых узлов в схемотехнике цифровых устройств»), я начинаю поиск с сайта компании, известной богатой номенклатурой и качеством выпускаемых АЦП, например Texas Instruments. Информационные ресурсы именно производителей помогают легче подобрать компонент для конкретной инженерной задачи.

Последний шаг перед тем, как перейти к отрисовке схемы и создании печатной платы на компьютере в специальном ПО — это эскизирование соединений на бумаге. Никола Тесла не одобрил бы это и предпочёл бы всё сделать в воображении. Но его нет рядом, чтобы остановить нас, так что не волнуйтесь и возьмите карандаш. Эскизирование — хороший способ последовательной организации нюансов проекта. Каждый логически обособленный модуль размещайте на отдельной странице, а для каждого крупного проекта заводите отдельную эскизную тетрадь или книгу.

В эскизную тетрадь нелишне включить всю необходимую справочную информацию, например, цоколёвки устанавливаемых компонентов. Ещё не помешает составить спецификацию всех монтируемых компонентов с указанием их характеристик, типов корпусов, количества. Эта спецификация будет необходима при заказе электронных компонентов у поставщика.

Дополнительно к основной, включите расширенные сведения о той части проекта, которая важна и понадобится. Например, удобно хранить список адресов устройств, использующих протокол I2C для связи или таблицы расчётов резистивных делителей (смотри статью «Как проверить резистор мультиметром?»).

Закончив эскиз проекта и выполнив все предварительные проверки, переходим непосредственно к физическому проектированию печатной платы.

Читайте продолжение статьи во второй части.