PCB設計・プログラミング・テストの14エキスパートヒント

1. システム設計

1.1 システム/予備設計

PCBプログラミングの主な焦点は、設計を開始する前に基板の全体設計を理解することです。どのコンポーネントがどこに収まるかわかれば、設計プロセスがずっと楽になります。

予備設計は2つの重要なステップで構成されます。まず、システム全体の図を作成してください。これを設計のブループリントとして扱います。ブループリントは、詳細に立ち入ることなく、入力と出力が何かをガイドします。

ボード全体がどのように機能し、接続するかのアイデアを持つことが目的です。

1.2 ブロック図

ブロック図には、主要なコンポーネントクラスターごとに1つのブロックが含まれます。これらのモジュールがどのように相互リンクし、相互作用し、各段階でどれだけの電圧が流れるかを示します。

これらのブロックがすべて図に追加され、初期エネルギーがどれだけ必要かがわかったら、これらの詳細を図に追加してください。各コアブロックで電圧コントローラーやシフターが必要かどうかの判断材料になり、仕事が楽になります。

電圧制御用シフターが必要なのは、2つの電気部品が寄与電圧を通じて相互にリンクされているためです。これら2つの電気部品が異なるエネルギーレベルを使用している場合、シフターを使用する必要があります。

1.3 マイクロコントローラーの選定

コスト、入手性、特性などの必要な詳細に基づいて、どの種類のマイクロコントローラーを使用するか決定できます。これらの詳細はディストリビューターのサイトからすべて入手できます。

価格対性能： Arm Cortex-Mは、安価でありながら得られる性能レベルの高さから優れたMCUです。8ビットのみのPCBプログラミングであっても、32ビットCortex-Mを購入し使用すべきです。
性能： GPIOピンの数と使用するシリアルプロトコルに依存。
最もシンプルで安価なマイクロコントローラーは、さまざまな機能を持つ32ピンです。最高峰は最大216ピンですが、初心者には扱いが複雑すぎる可能性があります。
リードパッケージ： マイクロコントローラーのピンが容易にアクセス可能になるため優れた機能です。リードなしパッケージではピンが容器の下に隠れます。テストポイントがない場合、ピンに到達するのが困難です。

2. PCBプログラミング - 回路図設計

コネクタ、電圧制御用レギュレータ、MCチップ、PCBプログラミングコネクタから始めます。

2.1 コンデンサ

以下の手順で行います。

レギュレータの入力ピン上にコンデンサを配置して設計を開始します。レギュレータの出力ピンにも別のコンデンサを配置します。最初のは入力電圧用、2つ目は一時的な負荷に渡す電荷を蓄えるためです。2つ目のコンデンサはレギュレータとの安定性を生み出す役割も果たします。これがないとレギュレータが変動します。
MCの電源ピン付近に、デカップリング用のコンデンサを配置します。この機能にどの種類のコンデンサを使用すべきかは専門家に相談してください。

2.2 マイクロコントローラーピンアウト

マイクロコントローラーメーカーは通常、必要なファスナーの総数を減らすために、同じピンに多くの異なる機能を設定します。

最初はピンの用途が自動的に開始されます。しかし、これらのピンには代替機能もあります。あなたがピンに割り当てる必要がある2つのサービスが重複しないようにしてください。

2.3 RC発振器

クロックは、マイクロコントローラーが毎秒適切な順序で機能を実行することを決定する必要なコンポーネントです。プリインストールされたクロックウォッチタイマーを持つ一部のマイクロコントローラーは、RC発振器とも呼ばれます。コンデンサと抵抗の両方のタイミングを組み合わせるためです。欠点は精度が低いことです。温度が振動精度のレベルに大きく影響します。

スターターキットには最適です。しかし、極めて高いタイミング精度が必要なものを設計する場合、これらのクロックは推奨されません。

2.4 プログラミングコネクタ

プログラミングプロトコルは2つのみです：JTAGプロトコルとシリアルワイヤーデバッグ（SWD）プロトコル。

SWDはクロック、I/O、グランド、寄与電圧、リセットを実行するのに5ピンのみ必要です。小さな基板を設計したい場合、これが理想的な選択肢となります。
JTAGコネクタは多数のピンを持ち、複雑なプログラミングに適しています。

2.5 電源

マイクロコントローラーは、コンポーネントを制御するために寄与電圧を必要とします。外部USB充電器をこの目的で使用できます。レギュレータに供給される出力電圧と、そこからの安定した出力を計算して、あなたの設計に適した電源を決定してください。1つのGPIOピンには約24mAの電流が必要なので、それに基づいて電源電流を計算してください。基本モデルでは、マイクロコントローラーが最大300mAを容易に消費します。

2.6 電気ルールチェック

色付きチェックでピンのエラーをいくつか検出できます。ボードに問題があるか、どこから発生しているかを即座に知らせてくれます。

最後のステップは、ベット内のショートサーキット、ピン同士の接触、未接続ピンがないかチェックすることです。

3. PCBレイアウト設計

このステップでは、回路基板の設計内にすべてのコンポーネントを配置し始められます。'PCBに変換'を使用して、すべてのコンポーネントが配置された最終製品が設計されることを確認できます。

3.1 コンポーネント配置

このステップでは、パーツの正しい位置決めをチェックできます。PCB設計ソフトウェアを使用している場合、コンポーネントをすでに配置できます。しかし、レイアウトのパフォーマンス向上のため、専門家は手動で行うことを好みます。

レギュレータがマイクロUSBコネクタを配置し、出力が入力ピンに近いことを確認してください。プログラミング用コネクタを、設計に適していると思う場所に配置できます。すべてが配置されたら、抵抗器、インダクタ、前述のさまざまなコンデンサを配置します。

3.2 PCB層スタック

PCBは、互いにスタックされた層の集合体です。導電性を持つシートがある場合、それらの間に絶縁材料が必要です。これらは最大2つ、好ましくは外側に配置できます。設計をより高度にするにつれて、さらに導電層を偶数で追加できます。

3.3 PCB配線

配線は一般的にコンポーネント配置後に行われます。自動または手動で実行できます。自動プロセスはあまり効率的ではありません。

ルーティングの主原則は、トレースの高さを短くすることです。使用するビアの数と90度ターンも減らすべきです。証拠（トレース）の電力が高いほど、これらの原則がより重要になります。

プロトタイプ構築コストを削減しようとする場合、スルーホールビアを使用できます。ブラインドビアとベリッドビアははるかに高価です。トレースは電流の流れを処理できる必要があり、そうでなければ溶けて基板を損傷させます。

3.4 検証

検証では、設計ルールが検証され、スキーマも検証済みであることを確認します。

DRチェックでは、正しいトレース幅を使用し、マーク間に十分なスペースを残し、基板と証拠の間のギャップが正しいことを確認します。

DRCは設計している回路基板によって異なります。したがって、設計開始前に正しいルールを持っている必要があります。

3.5 ガーバー生成

検証完了後、回路基板設計を標準業界フォーマットに変換する必要があります。このフォーマットはガーバーとして知られています。このフォーマットでは、回路基板の各層が異なるファイルで出力されます。シルク、アセンブリ、ソルダーマスク、ペーストが層です。コンポーネントの位置詳細を持つファイルも作成する必要があります。メーカーは、自動コンポーネント配置機を操作する際にこのファイルを使用します。これらのファイルを選択したメーカーに送信できます。