Các dự án tốt hơn sử dụng PCB: 6 bước

2024 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-30 13:31

Nếu bạn đã dành thời gian làm việc với các dự án điện tử thì bạn biết nó có thể thú vị và thú vị như thế nào. Không có gì phấn khích hơn việc nhìn thấy mạch của bạn trở nên sống động ngay trước mắt bạn. Nó thậm chí còn thú vị hơn khi dự án của bạn biến thành một thiết bị hữu ích mà bạn muốn tạo ra một vật cố định lâu dài xung quanh nhà hoặc văn phòng của bạn. Nhưng cách tốt nhất để thực hiện điều này là gì? Breadboard chắc chắn không phải là câu trả lời, và việc xây dựng một mạch phức tạp trên proto-board có thể trở nên khá tẻ nhạt. Cả hai công cụ này đều có vị trí của chúng, nhưng chúng không lý tưởng cho sản xuất thực tế.

Giải pháp? Thực hiện dự án của bạn bằng cách sử dụng PCB (Bảng mạch in). Với số lượng nhà sản xuất và người có sở thích tăng lên hàng ngày, các nhà sản xuất đang cung cấp các dịch vụ cấp chuyên nghiệp (và giá cả phải chăng) cho tất cả mọi người. Có một thời, việc thiết kế và chế tạo PCB cực kỳ tốn kém. Với phần mềm CAD chất lượng cao có sẵn miễn phí trong một số trường hợp và các nhà máy sản xuất bảng nguyên mẫu nhỏ với giá ít nhất là $ 5 cộng với phí vận chuyển. Có rất ít lý do để không tận dụng các dịch vụ này.

Mục tiêu của tôi là đưa bạn vượt qua dự án này ở cấp độ cao. Vì mỗi phần mềm CAD hơi khác nhau nên bạn sẽ cần thu thập một số kiến thức từ các nguồn khác để thực hiện điều này. Tôi sẽ đăng liên kết đến một số tài nguyên mà tôi thấy hữu ích. Trước khi bạn lo lắng về thời gian cần thiết để học những kỹ năng này, hãy để tôi nói rằng tôi bắt đầu với hoàn toàn không có kiến thức và kinh nghiệm, và tôi đã tạo ra những thiết kế thành công sau chưa đầy 8 giờ học từ các nguồn trực tuyến.

Cá nhân tôi đã sử dụng cả ba trang phần mềm CAD này, nhưng tôi khuyên bạn nên xem các video giới thiệu này để biết cách thiết lập của từng trang.

• Giới thiệu về KICAD
• Giới thiệu về hội thảo trên web của Eagle CAD
• Giới thiệu về Altium

Bác sĩ Peter Dalmaris có một khóa học tuyệt vời dựa trên KICAD mà tôi đã hoàn thành và rất khuyến khích nếu đó là phần mềm bạn chọn. Những giải thích của anh ấy về cách hoạt động của tất cả các tính năng rất dễ làm theo và rất đầy đủ. Đây là một liên kết đến lớp học của anh ấy tại Tech Explorations.

Một lựa chọn khác để xem xét (mặc dù đây không phải là một lựa chọn mà tôi đã sử dụng) là EasyEDA. Tôi đã thấy các nhà sản xuất khác sử dụng phần mềm trực tuyến này để tạo ra một số thiết kế rất chắc chắn.

Hãy thiết kế!

Quân nhu

• PC với phần mềm CAD
• Hàn sắt
• Tuôn ra
• 1 mô-đun ESP-32 (WROOM-32D)
• 2 MCP 23017's (gói SOIC)
• Bộ điều chỉnh 5 volt (L7805)
• Bộ điều chỉnh 3,3 volt (AP2114H)
• giắc cắm thùng DC chung cho phích cắm 2.1mm
• Đầu ghim Nam hoặc Nữ (tùy chọn)
• Lò nướng bánh mì và bột hàn (tùy chọn)
• Máy khoan (Tùy chọn)

Bước 1: Lập kế hoạch và thiết kế

Điều rất quan trọng là phải có một nền tảng vững chắc cho bất kỳ dự án nào. Một chút thời gian dành cho việc lập kế hoạch có thể giúp bạn tiết kiệm hàng giờ đồng hồ thất vọng.

Một nơi tốt để bắt đầu là tạo một danh sách các chức năng và tính năng mà bạn muốn thiết kế của mình có. Sau đây là danh sách tôi đã sử dụng khi tạo dự án ví dụ này.

• Bo mạch dựa trên ESP-32 tương thích với các thiết kế ESP-32 hiện có
• Nhiều chân kỹ thuật số hơn bộ ESP-32 Dev tiêu chuẩn
• Có sẵn 5v và 3v3 để cấp nguồn cho các phụ kiện gắn với PCB
• Một cổng lập trình để tôi có thể cập nhật thiết bị trong tương lai
• Khả năng chạy trên đầu vào 6 đến 12 volt

Thứ hai là thu thập danh sách các bộ phận bạn muốn sử dụng và tìm một nguồn sẵn có. Điều cuối cùng bạn muốn làm là tạo ra một PCB mà bạn không thể mua các bộ phận đó. Bạn cũng nên thu thập bảng dữ liệu của nhà sản xuất cho mọi bộ phận bạn định sử dụng (tin tôi đi, điều này RẤT quan trọng và tôi sẽ giải thích lý do tại sao sau).

Cuối cùng thu thập bất kỳ ghi chú và bản vẽ nào bạn có thể đã tạo cho thiết kế này. Điều này sẽ bao gồm bất kỳ ràng buộc vật lý nào bạn có thể có. Chẳng hạn như bạn muốn bo mạch của mình tương thích với tấm chắn Arduino hoặc vừa vặn bên trong một vỏ bọc cụ thể. Tất cả thông tin này sẽ cần thiết ở các bước khác nhau trong quy trình.

Bước 2: Sơ đồ PCB sử dụng CAD

Hãy bắt đầu tạo sơ đồ của chúng tôi!

Nói chung, tôi muốn thêm tất cả các phần của mình vào giản đồ và sắp xếp chúng theo cách có ý nghĩa đối với tôi. Tại thời điểm này, nơi bạn đặt chúng không ảnh hưởng đến vị trí vật lý trên PCB, vì vậy bạn có thể sử dụng tính linh hoạt đó để làm lợi thế của mình. Nếu bạn không có dấu chân cho tất cả các thành phần của mình, tôi thực sự khuyên bạn nên sử dụng SnapEDA và Ultralibrarian. Các tài nguyên này có nhiều lựa chọn tuyệt vời về các bộ phận có sẵn cho mọi phần mềm CAD mà bạn có thể đang sử dụng. Chỉ cần tra cứu số bộ phận của thành phần và tải xuống các tệp thích hợp. Họ có các bài hướng dẫn dạy bạn cách nhập các tệp này nếu bạn chưa biết cách làm điều đó.

Trước khi đấu dây các bộ phận của bạn với nhau, tốt nhất bạn nên kiểm tra độ chính xác của các đầu ra của từng bộ phận. Đây là lý do tại sao việc có các bảng dữ liệu bộ phận là quan trọng, tôi đã có toàn bộ lô PCB bị hủy hoại (bạn có nhớ những giờ thất vọng đó không?) Vì tôi đã bỏ qua bước này. Nếu bạn không tự làm phần đó (và đôi khi ngay cả khi bạn đã làm) LUÔN LUÔN kiểm tra lại.

Khi bạn đi dây sơ đồ của mình, tôi thấy việc sử dụng các nhãn net để tạo kết nối có lợi. Nếu bạn có một số lượng lớn dây điện chạy theo mọi cách thì việc theo dõi sẽ trở nên khó khăn và cũng làm tăng cơ hội tạo kết nối ở một nơi nào đó mà bạn không nên (mất thêm giờ). Cân bằng dây và nhãn lưới thường là tốt nhất, chỉ cần chắc chắn sử dụng danh sách nhãn lưới sẽ có ý nghĩa đối với bất kỳ ai khác khi nhìn vào thiết kế. Điều này sẽ làm cho cuộc sống trở nên dễ dàng nếu bạn quay lại thiết kế này trong tương lai muốn thay đổi hoặc khắc phục sự cố của thiết kế ban đầu.

Sơ đồ cũng là một nơi tốt để để lại ghi chú về cách các bộ phận khác nhau của mạch phải hoạt động. Đây là một cách tốt để theo dõi tất cả các chi tiết cần thiết để làm cho mọi thứ hoạt động như bình thường. Một ví dụ về dự án này là cần có một jumper giữa chân kích hoạt của mô-đun ESP và nguồn cung cấp 3.3v để lập trình. Mặc dù đây có lẽ không phải là nơi duy nhất bạn nên ghi lại loại thông tin đó, nhưng chắc chắn sẽ tốt nếu bạn có thói quen viết MỌI THỨ.

Kiểm tra kỹ sơ đồ của bạn trước khi chuyển sang bước tiếp theo. Điều này cần phải đúng để quá trình bố trí PCB diễn ra suôn sẻ. Cách tiếp cận chậm và có phương pháp sẽ luôn mang lại cho bạn kết quả cuối cùng tốt nhất. Xem qua bất kỳ ghi chú nào bạn có thể có và xác minh từng ghi chú trong số đó dựa trên sơ đồ.

Bước 3: Bố cục PCB

Trước khi bắt đầu sắp xếp các thành phần, tốt nhất chúng ta nên xem xét các dấu chân và đảm bảo rằng chúng đúng với các bộ phận bạn định sử dụng. Ví dụ, một số bộ phận sẽ có sẵn các biến thể lỗ và SMD, hãy đảm bảo rằng bạn chỉ sử dụng các bộ phận mà bạn có thể lắp đặt. Mô-đun EPS-32 có một miếng đệm bên dưới sẽ yêu cầu một số xử lý đặc biệt (sẽ nói thêm về điều này sau) Chỉ cần đảm bảo rằng bạn có kế hoạch cho những tình huống này. Sau khi chọn các gói phù hợp cho các thành phần của chúng tôi, bạn nên kiểm tra lại các chi tiết của từng phần so với bảng dữ liệu (bạn có nhận thấy xu hướng ở đây không?) Hãy tin tôi khi tôi nói rằng những điều này có thể sai và nó sẽ tồn tại trong một ngày dài nếu bạn phải truy tìm những vấn đề này sau này

Khi sắp xếp các thành phần của bạn, hãy đảm bảo bạn tính đến bất kỳ ràng buộc vật lý nào mà tôi đã đề cập trước đó. Trong một số trường hợp, bạn có thể cần đặt một số bộ phận trước vì vị trí của chúng rất quan trọng và phù hợp với mọi thứ khác xung quanh chúng. Hãy nhớ đặt các bộ phận được kết nối gần nhau, nhưng cũng có đủ chỗ để bạn thao tác trong quá trình lắp ráp. Nếu bạn có một vỏ bọc cụ thể, bạn định sử dụng nó có thể hợp lý để tạo hồ sơ bảng và bất kỳ lỗ khoan nào trước tiên.

Sau khi tất cả các thành phần của bạn được đặt ở nơi bạn muốn chúng có thời gian để bắt đầu định tuyến các tuyến đường của bạn. Có một số điểm chính cần nhớ khi thực hiện việc này.

• Dấu vết ngắn nhất có thể nói chung là tốt nhất
• Lớn hơn thường tốt hơn (đặc biệt là đối với đường dây cung cấp điện)
• Bạn cần biết cường độ dòng điện mà một rãnh nhất định phải xử lý và đảm bảo rằng kích thước bạn đã chọn có thể xử lý an toàn lượng đó (Đây là vấn đề an toàn rất quan trọng, quá dòng có thể gây nóng và có khả năng gây cháy)
• Biết những dung sai mà nhà sản xuất của bạn có thể duy trì và tuân theo các nguyên tắc đó. Đây là liên kết đến trang khả năng của một nhà sản xuất (phần mềm CAD của bạn có thể có trình kiểm tra quy tắc thiết kế sẽ cảnh báo bạn về bất kỳ vị trí nào không đáp ứng tiêu chuẩn mà nhà máy có thể tuân theo)

Mặc dù các tuyến đường định tuyến có thể là một câu đố vui, nhưng đôi khi các thiết kế của chúng tôi có thể trở nên phức tạp khiến điều này trở thành một thách thức cực kỳ lớn. Trong những trường hợp đó, sử dụng phần mềm tự động định tuyến có thể giúp bạn tiết kiệm đáng kể thời gian. Đây là một liên kết đến Bộ định tuyến tự động mà tôi đã sử dụng trong một số dự án. Bộ định tuyến tự động nhập dự án của bạn và sử dụng các quy tắc thiết kế của bạn để tạo dấu vết thích hợp cho tất cả các lưới của bạn. Thông thường, tôi sẽ để Bộ định tuyến tự động thực hiện công việc của nó, sau đó thay đổi thủ công một số thứ mà tôi có thể muốn khác đi. Bạn cũng có thể định tuyến các dấu vết bạn muốn ở các vị trí cụ thể và bộ định tuyến tự động sẽ hoạt động xung quanh các đường đi hiện có đó khi nó hoạt động trên các mạng còn lại.

Bước 4: Những lần chạm cuối cùng và chuẩn bị sản xuất

Với các bộ phận được đặt và theo dõi chạy PCB của bạn sắp sẵn sàng hoạt động. Bây giờ là thời điểm tốt để hoàn thiện lại toàn bộ bố cục. Theo dõi các dấu vết bằng cách sử dụng sơ đồ như một hướng dẫn và đảm bảo rằng tất cả các kết nối bạn cần đã được thực hiện.

Bạn cũng nên xem xét thêm đồ họa vào bảng của mình trong lớp màn hình lụa. Đánh dấu tên của bạn hoặc một số nhà sản xuất khác là một cách tốt để cho người khác biết bạn tự hào về công việc của mình. Tôi cũng tin tưởng vào việc đánh dấu hầu hết nếu không phải tất cả các điểm kết nối của tôi với những gì chúng dành cho. Điều này giúp ích khi bạn móc thiết bị lên sau khi lắp ráp và giúp người khác hiểu chức năng của các điểm kết nối này dễ dàng hơn.

Một điều khác cần xem xét là đánh dấu một số nhận dạng sửa đổi, đặc biệt nếu đây là bảng mà bạn dự định thực hiện nhiều lần. Bằng cách này, bạn có thể thực hiện các thay đổi đối với mạch trong tương lai và nhanh chóng biết được bạn đang làm việc với phiên bản bảng nào.

Với tất cả những điều đó, thời gian của nó để vẽ / xuất thiết kế của bạn và gửi cho nhà sản xuất. Nói chung, đây sẽ là các tệp Gerber, và thông thường tất cả chúng phải được lưu trữ trong một thư mục.zip duy nhất. Đây là những gì bạn sẽ tải lên khi đặt hàng PCB.

Đây là một liên kết đến các tệp Gerber cho dự án mẫu của tôi trên GitHub

Bước 5: Đặt hàng PCB của bạn

Ngày càng có nhiều lựa chọn cho việc này hơn so với trước đây. Việc này trở nên dễ dàng đến mức ai cũng có thể có được những thiết kế của mình do các nhà máy lớn sản xuất một cách chuyên nghiệp và một mức giá vô cùng hợp lý.

Tôi đã thiết kế hơn 35 PCB và tất cả chúng đều được sản xuất bởi JLCpcb (https://jlcpcb.com)

Một công ty rất tốt mà tôi chưa bao giờ gặp bất kỳ vấn đề nào về chất lượng. Đây là một liên kết đến một video giới thiệu một chuyến tham quan cơ sở của họ và giải thích chi tiết quy trình chế tạo PCB. Tham quan nhà máy

Truy cập trang web của họ và bắt đầu một báo giá. Tiếp theo, tải lên.zip của các tệp Gerber của bạn. Bạn sẽ thấy kết xuất thiết kế của mình sau khi tải lên hoàn tất. Chọn số lượng, màu sắc và bất kỳ tiêu chí nào khác mà bạn muốn chỉ định vào lúc này. Sau đó, nó là một vấn đề đơn giản để tiếp tục thanh toán. Bạn có thể dễ dàng tải các tệp Gerber của riêng mình lên trình xem Gerber trực tuyến miễn phí và xem các tệp này trông như thế nào khi chúng được hiển thị.

Thông thường, tôi cố gắng gửi nhiều mẫu thiết kế cùng một lúc để kết hợp khi vận chuyển. Thông thường tôi sẽ nhận được những thứ này trong 1-2 tuần sau khi đặt hàng. Tất nhiên, điều này có thể thay đổi tùy thuộc vào nhiều yếu tố, nhưng họ sẽ cung cấp cho bạn thông tin cập nhật về tiến độ đơn hàng của bạn thông qua trang web của họ và số theo dõi sau khi đơn hàng của bạn được giao.

Bước 6: Hãy xây dựng nó

Đã đến lúc lắp ráp!

Hãy nhớ trước đó tôi đã đề cập rằng có một mẹo để hàn mô-đun ESP-32? Nếu bạn nhìn vào dấu chân trên PCB, bạn sẽ nhận thấy một miếng đệm lớn bên dưới linh kiện. Đó có thể là một chút thách thức, nhưng tôi phải làm cách nào để bạn có thể hoàn thành công việc.

Phương án 1: Sử dụng bột hàn và một lò nướng bánh nhỏ.

Điều này thực sự rất dễ hiểu và nó chắc chắn sẽ mang lại cho bạn kết quả tốt nhất về tổng thể. Video này giải thích quy trình. Đảm bảo rằng bạn hiểu các yêu cầu về nhiệt độ của chất hàn mà bạn đang sử dụng, và bạn sẽ có một số kết quả khá đáng kinh ngạc mà không cần nỗ lực nhiều. Điều này sẽ quan tâm đến việc hàn hầu hết nếu không phải tất cả các thành phần SMD. Điểm thưởng nếu lò nướng bánh mì của bạn đến từ một đống rác và cần được sửa chữa trước khi sử dụng.

Phương án 2: Ra khỏi mũi khoan!

Tùy chọn này chắc chắn sẽ hoạt động nhưng nó không phải là lý tưởng nhất. Cẩn thận khoan một lỗ nhỏ xuyên qua PCB ở trung tâm của tấm đệm này sẽ cho phép bạn hàn nó từ mặt sau của bo mạch giống như một bộ phận xuyên lỗ. Mọi thứ có thể xảy ra khá dễ dàng với cách làm này, vì vậy hãy dành thời gian của bạn và sử dụng một mũi khoan chất lượng cao. Nếu bạn không có ý định sử dụng quy trình làm nóng lại lò nướng, bạn có thể xử lý các vấn đề như thế này trong thiết kế của mình bằng cách thêm một lỗ xuyên qua được mạ ở giữa tấm đệm này. Điều này sẽ cho phép bạn hàn với bàn là mà không có nguy cơ làm hỏng bo mạch của bạn.

Hàn bất kỳ phần còn lại qua lỗ (và SMD nếu bạn không sử dụng phương pháp nắn lại). Đối với các đầu ghim, tôi sẽ hàn một chốt duy nhất để giữ nó cố định trong khi lật ngược bảng để đảm bảo nó thẳng. Cũng tốt để kiểm tra mối hàn rất cẩn thận trên tất cả các bộ phận SMD bằng cách sử dụng kính lúp. Nếu bạn tìm thấy bất cứ thứ gì cần chạm vào, hãy sử dụng một số chất trợ dung (tin tôi đi, điều này tạo ra sự khác biệt lớn) và làm nóng lại mối hàn. Tôi thấy trên thiết kế ví dụ của mình rằng mô-đun ESP-32 có một số chỗ cần được làm việc lại. Cũng xin lưu ý rằng tôi đã cố ý không thêm bất kỳ đầu ghim nào vào bảng này, đó là vì tôi định hàn trực tiếp dây từ các thiết bị ngoại vi của mình. Đây không phải lúc nào cũng là cách tiếp cận tốt nhất, nhưng đối với ứng dụng của tôi, nó không phải là vấn đề.

Đó là nó! từ đầu đến cuối, chúng tôi đã lên ý tưởng về mạch và tạo ra PCB tùy chỉnh của riêng mình cho dự án này. Một khi bạn hiểu được nó, khả năng là gần như vô tận. Tôi hy vọng Sách hướng dẫn này đã cung cấp cho bạn một số ý tưởng hay và chỉ cho bạn một số tài nguyên hữu ích để giúp bạn trong hành trình chế tạo PCB của mình. Cảm ơn vì đã đọc!

Chúc bạn vui vẻ và đừng để khói ra ngoài! (Thực sự thì nó cần khói ma thuật)