PCB Design Review: Entkopplung, Umgehung und Erdung

Ich versuche, meinen eigenen drahtlosen Sensor mit dem ATmega-Mikrocontroller herzustellen. Ich habe ein grundlegendes Verständnis von Elektronik, aber ich bin ein totaler Amateur, wenn es um das Entwerfen von Schaltungen und Leiterplatten geht.

Dies ist nur ein Hobbyprojekt, daher wird nicht erwartet, dass es eine Produktionsqualität oder ähnliches aufweist. Trotzdem möchte ich es so gut wie möglich machen, nur um ein gutes Gefühl dafür zu haben, die Dinge richtig zu machen.

Ich habe etwas über Entkoppeln, Umgehen und Erden gelesen, bin mir aber nicht sicher, ob ich es richtig verstehe. Wenn also jemand auf die Tafel schauen und auf Dinge hinweisen könnte, die anders gemacht werden sollten, wäre ich wirklich dankbar.

Bearbeiten: Schaltplan der Schaltung hinzugefügt

Das Ätzen von Leiterplatten zu Hause macht Spaß, aber der Prozess macht das Leiterplattendesign für Hobbyisten wie uns etwas schwierig. Die wichtigste Einschränkung ist, dass es schwierig ist, plattierte Durchgangslöcher herzustellen. Und diese sind für das Löten von Bauteilen auf doppelseitigen Platinen wie Ihrer unerlässlich.

Wenn Sie Ihr Board in einem fabelhaften Haus herstellen lassen, erhalten Sie alle Ihre Leiterplatten-Durchkontaktierungen und -Löcher wie im Bild unten plattiert. Das ist schön, denn Sie können dann alle Komponenten auf der Unterseite Ihrer Platine löten und fertig. Dies ist möglich, da alle oberen Schienen an den plattierten Löchern mit der unteren Schicht verbunden werden, wodurch Kontinuität gewährleistet wird.

^{(Bild von RobotRoom.com )}

Wenn Sie zu Hause keine Art von Durchloch-Galvanisierung beherrschen (ein Prozess, der böse Chemikalien beinhaltet), werden diese Löcher nicht plattiert. Das Endergebnis ist, dass Sie die Komponenten-Pads oben auf Ihrer Platine löten müssen, wenn eine Spur sie erreicht.

Das Löten auf der obersten Schicht kann je nach Bauteil und Leiterplattendesign bestenfalls unpraktisch oder einfach unmöglich sein. Zum Beispiel sind Header von unten leicht zugänglich, haben jedoch normalerweise eine Kunststoffstütze, die ihnen mechanische Festigkeit verleiht und bündig auf der Platine sitzt. DIP-Buchsen bringen auch Probleme mit sich, da sie ebenfalls bündig oben sitzen.

Lötkomponenten auf der obersten Schicht sind normalerweise eine schlechte Idee, auch weil sie die Wartung behindern. Sie können Ihr Board in einer Reihenfolge zusammenbauen, in der Sie auf schwer zugängliche Pads zugreifen können. Wenn jedoch alle Komponenten platziert sind, haben Sie möglicherweise keinen Zugriff auf diese Pads. Nach meiner Erfahrung leidet die Lötqualität, da diese Pads schwerer zu erreichen sind, und diese Pads sind die ersten, die versagen.

Um diese Probleme zu umgehen, schlage ich vor, dass Sie Folgendes tun:

1. Entwerfen Sie einseitige Boards, wann immer Sie können. Verwenden Sie Ihren Schaltplan beispielsweise als Übung. Versuchen Sie, die Komponenten sorgfältig zu platzieren, damit sie das einseitige Routing erleichtern, und versuchen Sie, alle Tracks, die Sie können, auf der untersten Ebene zu routen. Normalerweise ändere ich die Pinbelegung, wenn dies das Routing erleichtert. Wenn Sie Spuren überqueren müssen, verwenden Sie einfache Jumper (ich verwende normalerweise Reste von Durchgangslochkomponenten dafür). Ich benutze die oberste Ebene, um die Jumper darzustellen. Planen Sie auch die Verwendung von Widerständen und Kondensatoren als Jumper. Genau das habe ich im Bild unten an den ATmega328P-Pins 2 und 3 getan - serieller TX & RX.

2. Wenn Sie aus irgendeinem Grund kein einseitiges Board erstellen können, stellen Sie sicher, dass Ihre Tracks nur an Durchkontaktierungen die Seite wechseln, wie an den im Bild unten orange markierten Stellen, und nicht an den Komponenten-Pads. Sie können dann ein Stück Draht auf beiden Seiten Ihrer Platine auf diese Durchkontaktierungen löten. Dies ist eine viel robustere Lösung als das Löten an den Komponentenpads.

3. Machen Sie die Durchkontaktierungen wirklich groß (ich verwende 0,07 Zoll oder ~ 1,8 mm). Wenn Sie die obige Regel Nr. 2 befolgen und nur die Seiten an Durchkontaktierungen wechseln lassen, sind diese großen Durchkontaktierungen die einzigen Funktionen, die Sie zwischen beiden Seiten Ihres Boards abgleichen müssen. Große Durchkontaktierungen erleichtern den Registrierungsprozess von doppelseitigen Brettern.

4. Ich versuche auch, mich an das 0,05-Zoll-Raster von Eagle zu halten, nur 45 ° -Drehungen zu machen und so viel Platz wie möglich von Spuren und Pads verschiedener Signale zu lassen.

Wenn Sie Ihr Design und die Tatsache berücksichtigen, dass Sie es zu Hause ätzen und davon ausgehen, dass Sie keine plattierten Troglöcher herstellen können, haben Sie Probleme mit Ihrem Oszillatorkristall und all Ihren Anschlüssen. Ich würde vorschlagen, dass Sie den Trick verwenden, die Spur von den Pads in eine Durchkontaktierung zu bringen und sie dann für diese Komponenten auf die andere Seite zu kreuzen.

Sie können mit dem Löten der Keramikkondensatoren und Widerstände auf der obersten Schicht davonkommen, aber ich empfehle das nicht. Ich würde dein Board einfach umleiten, um zu versuchen, die meisten, wenn nicht alle Tracks in die unterste Ebene zu bringen.

Ich weiß nicht, ob es Probleme mit den externen Komponenten gibt, die Sie verwenden möchten (z. B. NRF905), aber ich würde es mir ansehen, wenn sie Hochfrequenzsignale zum Ansteuern verwenden (alles über 500 kHz).

Unten ist mein (schneller und schmutziger) Versuch einer einseitigen Version Ihres Boards. Verzeihen Sie mir, wenn ich Fehler gemacht habe, aber es sollte Ihnen eine Vorstellung davon geben, wie Sie versuchen können, die meisten Tracks auf der untersten Ebene zu routen. Ich musste 5 Jumper verwenden, aber Sie können es vielleicht besser machen.

Mir ist jetzt klar, dass meine Version des 14-poligen Steckers in Bezug auf Ihre gespiegelt ist, was die Route meiner Version erleichtert hat. Wenn Sie jedoch keine Software- oder Hardwareeinschränkungen haben, können Sie die MCU-Pins dem Anschluss neu zuweisen, damit Sie Ihre Version auch einfacher weiterleiten können.

Ich hoffe das hilft.

Wie hat das noch niemand erwähnt?

Entkopplungskondensatoren hinzufügen !!

Ihre MCU läuft wahrscheinlich und schaltet viele Transistoren (intern) mit 8/16/20 MHz ein und aus. Bei jedem Taktzyklus wird periodisch ein höherer Strom gezogen. Da Leiterbahnen eine gewisse Induktivität haben und nicht sofort Strom liefern können, sollten Sie einen Kondensator hinzufügen, um diese Stromspitzen für die MCU zu liefern. Dieser Kondensator leitet auch Rauschen nach Masse.

Es ist sehr üblich, an jedem Stromanschluss der MCU eine 0,1-uF-Keramikkappe so nahe wie möglich an der MCU anzubringen. Es ist auch üblich, eine große Kapazität in der Nähe der Platine anzubringen.

Die Entkopplung des dort erhaltenen RF-Modul-Headers ist wahrscheinlich redundant, wenn das RF-Modul eine lokale Entkopplung aktiviert hat (was ich vermute).