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[应用教程] 《第二弹》自制Arduino最小系统板之PCB的绘制,集成N多功能》

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       前几天有些小忙,今天终于抽出时间来完成接下来的设计,首先放上之前帖子的链接(自制Arduino最小系统板,集成N多种功能,快来围观吧》》》)。接下来呢我会完成元件封装的选取以及PCB电路图的设计,以及更加详细的讲解电路中各个元件的功能,然后送给加工厂去制板,那么废话少说,马上开始!!!
                                    第一部分
    完成了所有的原理电路图的设计,下面就是选择合适的元件封装了,首先要求整个板子体积越小越好,所以我尽量都是选择了贴片元件(SMD),贴片元件相比通孔元件的好处就是无需要在PCB板上开孔去固定器件,简单来讲就是它贴在电路板的表面,这样就可以在电路板上做到双面贴装,可以最大电路板的体积。下面我放了一张贴片电阻和通孔式电阻的比较图,方便大家理解。
第一张.jpg

明确了尽量使用贴片器件,我就开始了选择元件封装型号的工作。这回耗费一点时间,不过耐心就可以完成。我们从最主要的电路到次要的电路依次来进行选择。
1.Atmega328P-AU与外围电路
     对于这个电路,主要就是一些滤波电容(c1和c2),两个补偿电容(c3和c4),以及一个复位电路(SW和R2,c6),对于阻容元件(电阻和电容),我统一选择的都是0603封装的器件,因为这个尺寸是我的焊接技术所可以焊接的最小器件了。。。。。(希望以后可以焊接更小的。)而对于开关我选择的是3*4的贴片龟仔开关。

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2.NRF24L01接口电路
    查看了一下网上有关NRF24l01的教程,普遍反映NRF24L01的通信稳定性和电源影响很大,供电不足容易导致数据丢失以及乱码,于是为了保证稳定性,我添加了电解滤波电容c16,容量为47uf。由于电解电容的封装普遍比无极性电容的封装体积要大,所以我寻找许久。。终于找到一款体积比较小巧的贴片电解电容,尺寸为4*5.4(直径4mm高5.4mm)。而接头p5我则使用了适合NRF24L01直接插接使用的2.54mm间距的2*4母杜邦头。
火狐截图_2018-11-14T10-05-45.365Z.png


3.锂电池升压电路
    对于这个升压电路,E50D升压芯片的封装为SOT89-3,基本上市面可以买到的E50D都是这个封装,没有什么可以选择的,而且体积也足够小巧,正好符合我的要求。两个滤波电容(c8和c10)同样还是使用0603封装。其中的肖特基二极管1N5819我选择了SOD323封装,这个封装以及算是二极管的封装里面较小的了,同样是我可以焊接的最小器件。。。而在电感的选择上,我使用了SLF0705的封装(直径7mm高5mm),注意这里一定要选择功率电感,而且要确保电感的最大工作电流要足够,在这里我的E50D升压芯片最大允许电流在600ma左右,所以我选择了编号为CD75的功率电感

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4.3.3V稳压电路
     这个电路是专门为NRF24L01来供电的,元件非常简单。同样,滤波电容选择0603封装,而MIC5205则是SOT-23-5的封装,同样也是市面上可以买到的常见封装。

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5.7-12V降压电路
    特别预留的一路外部电源输入稳压电路,可以让整个板子更好适应多种电压范围,所以我对输入端滤波电容c7有特别的考虑,我选择了封装为3528的胆电容,相比一般的电解电容,胆电容拥有更小的体积,以及耐高温、宽频率范围的特点,但是我们在挑选胆电容的时候,一定要注意胆电容的耐压,因为普遍的胆电容都比电解电容的耐压低,所以一定要注意选择胆电容的耐压值。而输出端的滤波电容c9我还是采用常规的0603封装。而降压芯片ME6210则是和E50D芯片相同的SOT89-3封装。

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6.电机驱动电路
    首先呢输入信号限流电阻R10和mos管结电压放电电阻R4都使用0603封装,而mos管Q4则是采用SOT23-3封装,我选择这个封装原因主要还是因为小巧,嘻嘻。而续流二极管D7我选择了SOD323封装,和锂电池升压电路里面使用的二极管一样。对于接口H4的选择,我使用了市面上一种常见用于电机接口的PH1.0接头,比较适合我这种小体积的板子。

火狐截图_2018-11-14T04-47-15.064Z.png

7.报警电路的设计
    555芯片市面上就只有两种封装,一种是通孔芯片封装,一种是贴片芯片封装。为了节省空间,我使用了贴片的封装,型号为SOIC8。而对于RC震荡电路(R3,R6和c12)我统一用了0603封装,对于第五脚的滤波电容c11以及限流电阻(R1和R12)我都用了0603封装器件。而控制蜂鸣器通断的三级管Q1我则使用了和电机驱动的mos管同样的封装SOT23-3,最后,续流二极管仍然是SOD323封装。在蜂鸣器的选择上,有许多种,我这里使用的是9*5.5的有源蜂鸣器(直径9mm高5.5mm)

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8.其他输出接口的设计
      其他的一些接口呢我有不同的安排,首先是面对Atmega328P的串行口,我没有选择需要通孔安装的杜邦头,而是使用了一种贴片的接头,SH1.0 6P,这样我只需要配上一根转接线就可以和usb转ttl模块连接了。对于6路的数字口呢,我考虑了同样的接口,这样节省了许多空间。而到了4路模拟输入的接口上,我使用的则是2.54mm间距的焊盘,这样直接省去了接头,也方便以后直接焊接。最后是电源输入,我还是用了焊盘,因为可能会出现多个设备需呀同时从板子上取电的情况,所以留下焊盘比使用接头更加方便。

       到这里所有的封装就全部都选好了,下一步就是排版和布线PCB了。


                                   第二部分
首先将原理图导入到PCB,然后吧所有的器件拖动到方框内,就是先把元器件在电路板上的位置先定下来。这一步耗时若干分钟,略。。。。。。我想给大家分享的是元器件位置的摆放,是否合适的摆放位置会对整个板子的稳定性影响很大。。。。首先放一张图:

火狐截图_2018-11-16T05-03-47.276Z.png

1.我最先确定的是Atmega328P的位置(图中脚最多的芯片),如果将主控芯片安排在其他比较靠电路板边缘的位置,都会影响到其他接口的摆放,并且所有的信号都是由Atmega328p发出,所以摆放在中央会更好布线。倾斜45度摆放对于这种小板子是非常适合的,可以尽量减少线的长度。
2.接着就是围绕主控的其他元器件的摆放(比如晶振和滤波电容)
3.我将NRF24L01的接口放在了主控芯片旁边的位置,这样可以尽量减少线的长度,避免一些干扰和信号的衰减(因为NRF24L01和Atmega328P使用SPI通讯,速度较快,最高10M,所以尽量避免使用较长的线)
4.我将5V升压电路布置在电路板的左上角,尽量远离主控,因为这个电路的升压芯片E50D工作频率较高(约300K,所以其易对其他的芯片产生较大干扰)
5.我设计电机的电源直接从锂电池取电,所以当多个电机工作时容易造成锂电池电压的波动以及较大的电流,同时容易造成对其他弱电流的设备的干扰。于是我将四路的驱动放在最右边的位置,如图中右侧所示。
6.其他的两路降压电路我则是布置在板子背面,靠上方的位置,给其他的接口留出余地。
7.而6路的数字口以及串行口和模拟输入口,我则全部布置在板子的最下放,尽量远离电源,以减少干扰。
       定好了位置之后就是布线了,这里一般的布线方法有自动布线和手动布线方法,我在这里选择自动布线,不一会儿,线就布好了,如图(其中红色为正面,蓝色为反面)。

火狐截图_2018-11-16T05-04-49.599Z.png

       之后就是选择铺铜了,铺铜就是将电路板上空着的部分用铜皮覆盖上,一般铺铜的铜皮都是和地线连接在一起的,这样的设计对整个电路板的抗干扰都有很好的作用,下面是铺铜之后的样子:

火狐截图_2018-11-16T05-06-08.900Z.png

      完成了正面和反面的铺铜,我开始运行DRC(电气规则检查)这个功能所有电路板设计软件都有,主要功能就是可以帮你检查电路板有没有出现什么问题之类的(比如两条线之间距离太近,或者焊盘和某条线短接在一起了,总之在完成设计之前运行一遍DRC可以帮你找出错误,要不然等到制作PCB的时候损失就大了)几秒钟过后。。。。DRC没有报错,说明整个板子没有电路问题,我可以放心的交给工厂制作板子了。首先我先在软件上预览一下电路板完成后的样子:

火狐截图_2018-11-16T05-07-29.832Z.png 火狐截图_2018-11-16T05-07-48.305Z.png

       确认没有问题了就可以导出文件了,然后提交给工厂了,对于PCB电路板有很多种文件格式,工厂一般都可以接受,在这里我用的是Gerber格式,比较通用。
我选择的工艺是1.6mm双面板,绿油白字,有铅喷锡,1OZ铜厚,价格也是比较便宜,卖家算我25元10块,工期大概3-4天。接下来就是漫长的等待了,哈哈哈。

                                                 总结
最后呢我在给大家总结一些注意事项:
1.选择器件时注意器件的最大电流,电压需要满足需求,不然会导致器件过流/过压而损坏。
2.充分掌握器件的特性,这样会使你设计时候更加得心应手。
3.使用各种IC时请注意查看数据手册,以找到符合要求的器件。
4.PCB设计时优先布置重要,核心元件,然后依次摆放次要元件。
5.信号线尽量远离大电流电源线。
6.避免使用直角走线
7.避免电源线和信号线近距离平行摆放。
8.对于高频线路,周围最好铺铜以减少干扰。


       制作图纸已经提交给了工厂了,需要3-4天的工期,所以等板子到了我会焊接并测试以及改进,如果有什么关于电路设计以及PCB板的问题,欢迎大家提问,我会认真的回复你们。。
       最后,感谢你们阅读我写的这么多文字,希望我此次做的电路可以对你们提供一些帮助和引导,谢谢。


Richard_King  见习技师

发表于 2018-11-23 02:10:17

支持!我也想看到合乎需求的最小系统板,继续等后续PCB焊接测试,期待成品……
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DFHklaoyang  见习技师

发表于 2018-12-2 19:39:08

楼主做PCB用了什么软件啊
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2877137721  初级技师
 楼主|

发表于 2018-12-2 21:09:56

DFHklaoyang 发表于 2018-12-2 19:39
楼主做PCB用了什么软件啊

立创EDA,也可以百度一下lceda
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好奇吖斌  高级技师

发表于 2018-12-19 20:24:13

终于有大佬出这么详细的画板子教程
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2877137721  初级技师
 楼主|

发表于 2018-12-20 23:13:03

好奇吖斌 发表于 2018-12-19 20:24
终于有大佬出这么详细的画板子教程

不敢不敢,论坛上高手很多,这只是抛砖引玉
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