Návrh DPS: 10 chýb, pre ktoré sa doska plošných spojov prerába

Prečo sa oplatí chyby chytať na papieri

Cena opravy chyby rastie s každou fázou, v ktorej ju objavíte. V schéme ju opravíte za minútu. Na vyrobenej doske to znamená škrabanie ciest, drôtiky a novú výrobu. A v sérii, ktorá už je u zákazníkov, sa z nej stanú reklamácie a servisné výjazdy.

Nasledujúcich desať chýb je rozdelených do troch skupín — napájanie a zem, rádio a signály, oživenie a výroba. Prejdite si ich pri každej doske ešte pred odoslaním podkladov.

Napájanie a zem

1. Blokovacie kondenzátory ďaleko od čipu

Mikrokontrolér odoberá prúd v krátkych špičkách a blokovací kondenzátor mu ich dodá z bezprostrednej blízkosti. Ak je o dva centimetre ďalej, cesta pôsobí ako indukčnosť a kondenzátor stráca zmysel. Výsledok: náhodné reštarty, rušenie a chyby, ktoré sa nedajú zopakovať.

• Kondenzátor 100 nF pri každom napájacom pine, s čo najkratšou cestou k pinu aj k zemi.
• Väčší kondenzátor (napríklad 10 µF) pri vstupe napájania dosky a pri každom stabilizátore.
• Riaďte sa referenčným návrhom výrobcu čipu — obsahuje presné hodnoty aj rozmiestnenie.

2. Roztrhaná zemná plocha

Prúd sa vždy vracia k zdroju — a ak mu zem pod signálom prerušíte drážkou či cestou, obíde ju oklukou. Vznikne slučka, ktorá vyžaruje rušenie a zachytáva ho. Na štvorvrstvovej doske venujte jednu vrstvu celistvej zemi. Na dvojvrstvovej držte zem čo najcelistvejšiu, cesty veďte hlavne po druhej strane a vrstvy zeme pospájajte hustými prechodkami.

3. Stabilizátor, ktorý sa varí alebo vybíja batériu

Lineárny stabilizátor (LDO) premení rozdiel napätí na teplo. Stratový výkon je jednoduchý výpočet: rozdiel napätí krát prúd. Z 12 V na 3,3 V pri 200 mA je to (12 − 3,3) × 0,2 = 1,74 W — malé puzdro SOT-23 by sa roztavilo. Pri veľkom rozdiele napätí preto siahnite po spínanom zdroji (DC-DC). A pri zariadení na batériu sledujte pokojový prúd stabilizátora — niektoré si pýtajú desiatky mikroampérov aj vtedy, keď celé zariadenie spí.

4. Chýbajúca ochrana vstupu

Niekto raz zapojí zdroj naopak. Vždy. Otázka je len, či to doska prežije.

• Ochrana proti prepólovaniu — P-MOSFET alebo obvod ideálnej diódy, v najjednoduchšom prípade Schottkyho dióda.
• TVS diódy na konektoroch a na USB proti prepätiu a statickej elektrine.
• Vratná poistka (PTC) na vstupe, ktorá obmedzí prúd pri skrate.

Rádio a signály

5. Anténa na zlom mieste

Rádiový modul má v datasheete zakreslenú zakázanú zónu okolo antény — bez medi, bez zeme, bez ciest, na všetkých vrstvách. Ak ju porušíte, dosah klesne aj na zlomok. Modul umiestnite na okraj dosky s anténou smerom von a myslite aj na krabičku: kovový kryt, batéria či displej tesne pri anténe urobia rovnakú škodu ako meď na doske.

6. Citlivé signály bez rozmyslu

• Kryštál čo najbližšie k mikrokontroléru, s krátkymi cestami a bez iných signálov pod ním.
• USB ako diferenciálny pár — obe cesty spolu, rovnako dlhé, s impedanciou 90 Ω podľa parametrov výrobcu dosky.
• Analógové vstupy ďaleko od spínaného zdroja a rýchlych digitálnych signálov, s vlastným filtrom.

Oživenie a výroba

7. Žiadny programovací konektor ani testovacie body

Doska bez prístupu k programovaciemu rozhraniu je doska, ktorú neoživíte. A doska bez testovacích bodov je doska, na ktorej nič nezmeriate.

• Programovacie rozhranie (SWD, JTAG) a sériová linka na výpisy — ak chýba miesto, poslúžia plôšky pre pružinový konektor typu Tag-Connect.
• Testovacie body na všetkých napätiach a kľúčových signáloch.
• Rezistory 0 Ω alebo prepojky medzi blokmi — oddelíte nimi časť obvodu a zmeriate jej odber samostatne.
• LED pre napájanie a stav, ktorú firmvér vie vypnúť, aby vo finálnom zariadení nežrala batériu.

8. Zlý footprint alebo zapojenie pinov

Najčastejšia chyba vôbec. Otočený pin 1, zrkadlovo zapojený konektor, puzdro, ktoré sa líši od objednanej súčiastky, tranzistor s iným poradím nožičiek než v knižnici. Knižnicu súčiastok berte ako cudzí kód — kým ju neoveríte proti datasheetu, neverte jej.

9. Súčiastky, ktoré sa nedajú kúpiť

Návrh je hotový, doska vyrobená — a kľúčový čip má dodaciu lehotu 40 týždňov. Pred výrobou prejdite celý zoznam súčiastok (BOM): skladová dostupnosť, stav životného cyklu (či sa nechystá ukončenie výroby) a alternatíva pre každú kritickú položku. Ak dosku osádza výrobca, vyberajte prednostne súčiastky z jeho skladu — ušetríte čas aj poplatky.

10. Ignorované pravidlá výrobcu a mechanika

• Kontrola návrhu (DRC) s pravidlami konkrétneho výrobcu — minimálne šírky ciest, medzery, prechodky, odstup od okraja.
• Referenčné značky (fiduciály) a panelizácia, ak sa doska osádza strojovo.
• Montážne otvory a poloha konektorov overené v 3D spolu s krabičkou — nie až vtedy, keď doska nejde zasunúť.

Ako bezpečne oživiť prvú dosku

Aj oživenie má svoj postup. Ak dosku rovno pripojíte k zdroju a nahráte celý firmvér, pri probléme nebudete vedieť, kde hľadať — a v horšom prípade niečo zničíte.

1. Vizuálna kontrola pod lupou. Skraty cínom, otočené súčiastky, chýbajúce spoje.
2. Odpor medzi napájaním a zemou zmerajte ešte pred zapnutím. Takmer nulová hodnota znamená skrat.
3. Prvé zapnutie cez laboratórny zdroj s obmedzením prúdu, napríklad na 50 až 100 mA. Ak prúd hneď vyskočí na limit, okamžite vypnite.
4. Zmerajte výstupy stabilizátorov a až potom pripájajte ďalšie časti.
5. Nahrajte najjednoduchší firmvér — blikanie LED a výpis cez sériovú linku.
6. Oživujte blok po bloku a každú chybu zapíšte do zoznamu pre ďalšiu revíziu.

Kontrolný zoznam je najlacnejšia súčiastka na doske. Stojí desať minút a ušetrí celú revíziu. Zásada návrhu elektroniky

Časté otázky

Koľko revízií dosky je normálnych?

Pri novom zariadení rátajte s dvomi až tromi verziami — prototyp, opravená verzia a predsériová. Dobrou prípravou sa dá ich počet znížiť, no nulová revízia pri zložitejšej doske je skôr výnimka.

Dvojvrstvová, alebo štvorvrstvová doska?

Pri jednoduchých doskách bez rádia a rýchlych signálov často stačí dvojvrstvová. Pri rádiu, USB či hustom osadení sa štvorvrstvová s celistvou zemnou vrstvou takmer vždy oplatí — cenový rozdiel je dnes malý a ušetrí vám problémy s rušením.

Oplatí sa hotový modul namiesto čipu priamo na doske?

Pri rádiu väčšinou áno. Certifikovaný modul s anténou skráti vývoj a zjednoduší návrh aj certifikáciu. Pri veľkých sériách sa neskôr môže oplatiť prejsť na čip priamo na doske kvôli cene za kus.