130. Плата для микроконтроллера: принципы

Прошивка отлажена на BluePill или Discovery — пора делать свою плату. Схема для микроконтроллера почти всегда одна и та же: питание, развязка, кварц, разъём отладки, сброс, выводы наружу. И ошибки на плате тоже одни и те же: развязка «где-нибудь рядом», земля, разрезанная дорожками, кварц на другом конце платы. Этот раздел — о принципах, общих для любой программы разводки; разделы 131–133 показывают их в KiCad, DipTrace и Altium.

Числа здесь — не на глаз: ширина дорожек посчитана по формуле стандарта, правила — из KiCad, а примеры ошибок — из настоящей проверки платы с STM32F103 (раздел 131).

Как это называется в документации

Оригинал	Перевод
printed circuit board (PCB)	печатная плата
layer stackup	набор и порядок слоёв платы
ground plane	сплошной слой земли
decoupling capacitor	развязывающий конденсатор у вывода питания
bulk capacitor	накопительный конденсатор на входе питания узла
load capacitance (CL)	ёмкость нагрузки кварца
stray capacitance	паразитная ёмкость монтажа
clearance	зазор между проводниками разных цепей
via, thermal relief	переходное отверстие, тепловые перемычки
design rules	правила разводки
Gerber, Excellon	форматы файлов слоёв и сверловки
design for manufacturing (DFM)	учёт возможностей завода при разработке

130.1 Путь от схемы до завода

Семь шагов, и два из них — проверки. Проверка схемы (ERC) ловит неподключённые выводы и два выхода на одной цепи; проверка разводки (DRC) — зазоры, замыкания, детали, налезающие друг на друга, неразведённые соединения. Плата, не прошедшая DRC, на завод не уходит — это правило стоит соблюдать так же жёстко, как «прошивка без предупреждений компилятора» (раздел 110).

130.2 Слои: две стороны и сплошная земля

Для платы с микроконтроллером на десятки мегагерц обычно хватает двух слоёв меди: сверху детали и сигналы, снизу — сплошная земля. Новая плата в KiCad создаётся именно двухслойной, толщиной 1,6 мм.

Сплошная земля — главное, что делает плату тихой. Ток сигнала возвращается к источнику по земле прямо под своей дорожкой; если земля разрезана, обратный ток обходит разрез, петля растёт — и растут наводки и излучение. Поэтому нижний слой — не место для дорожек: одна длинная дорожка поперёк нижнего слоя разрезает землю надвое. Четыре слоя (сигнал, земля, питание, сигнал) нужны, когда на плате USB на высокой скорости, Ethernet, внешняя память или просто тесно.

130.3 Развязка у каждого вывода питания

У STM32F103 в корпусе LQFP-48 четыре вывода питания ядра и периферии: VDD на 24, 36 и 48 и VDDA на 9. У каждого — свой конденсатор 100 нФ вплотную, а у VDDA к нему добавляют 1 мкФ, лучше через ферритовую бусину (раздел 61.1). У малых конденсаторов дело не в ёмкости, а в индуктивности пути: конденсатор помогает только тогда, когда петля «вывод — конденсатор — земля» короткая.

Три правила, которые это обеспечивают:

• конденсатор — вплотную к своему выводу, дорожка прямая и короткая; на плате из раздела 131 — 2,025 мм у всех четырёх;
• земляной вывод конденсатора — сразу переходным отверстием в сплошную землю;
• к ряду выводов конденсатор ставят по нормали, наружу: тогда дорожка не идёт наискосок через соседние выводы.

Последнее не теория. Первая, наивная расстановка на той же плате дала при проверке три замыкания: дорожки питания задевали соседние выводы GND и свободный вывод корпуса (раздел 131.5).

Кроме развязки у выводов — один общий конденсатор 4,7 мкФ на VDD, обычно он же накопительный на выходе стабилизатора: отдаёт ток при скачках потребления, пока стабилизатор не успел отработать.

Вывод 1 — VBAT. Если батарейки нет, его не оставляют висеть: соединяют с VDD и тоже ставят 100 нФ.

130.4 Кварц

Генератор кварца — самый чувствительный узел платы: там слабые сигналы высокого сопротивления. Правила:

• кварц — рядом с выводами OSC_IN/OSC_OUT, дорожки короткие и одинаковые;
• под кварцем и его конденсаторами — сплошная земля, никаких чужих дорожек;
• конденсаторы — на землю, рядом с кварцем.

Ёмкость конденсаторов считают от ёмкости нагрузки кварца CL из его паспорта. Два конденсатора для кварца включены последовательно, и к ним добавляется паразитная ёмкость монтажа и входов — обычно 3–5 пФ:

CL = C1 × C2 / (C1 + C2) + Cпар   →   C1 = C2 = 2 × (CL − Cпар)

Отсюда частая ошибка: поставить 22 пФ на кварц с CL = 12 пФ «как на всех схемах» — генератор уйдёт по частоте или вовсе не запустится на холодную.

Вкладка «Кварц» в калькуляторах приложения считает конденсаторы под паспортную CL и, наоборот, какую CL видит кварц с уже поставленными.

Сброс, BOOT0 и разъём отладки — три узла, которые в первой плате чаще всего делают «как получится». У F103 в LQFP-48:

• BOOT0 (вывод 44) — резистор 10 кОм на землю, иначе камень «через раз» стартует из заводского загрузчика;
• NRST (вывод 7) — конденсатор 100 нФ на землю у самого вывода;
• разъём SWD — питание 3,3 В, SWDIO (PA13, вывод 34), SWCLK (PA14, вывод 37), земля и NRST — у края платы, дорожки короткие, а PA13 и PA14 под другое не занимают.

Почему именно так — разделы 61.4, 61.5 и 61.7. Учебная плата раздела 131 обходится без резистора на BOOT0 и конденсатора на NRST; на своей их ставят.

130.5 Ширина дорожки под ток

Ширину дорожки выбирают по допустимому нагреву. Стандарт IPC-2221 даёт зависимость тока от сечения дорожки A (в квадратных милах) и перегрева ΔT:

I = k × ΔT^0,44 × A^0,725,   k = 0,048 для внешнего слоя, 0,024 для внутреннего

Для меди 35 мкм и перегрева 10 °C:

Для внутреннего слоя таблица требует ту же дорожку в 2,6 раза шире. Это осторожная оценка с запасом: более поздние измерения показали, что внутренняя дорожка греется не сильнее внешней — тепло уходит через диэлектрик в соседние слои. Таблица даёт надёжный верх; если на внутреннем слое тесно, ширину пересчитывают по новым графикам. Сигнальным дорожкам хватает правил по умолчанию — в KiCad это 0,2 мм ширина и 0,2 мм зазор; питание на плате из раздела 131 — 0,5 мм.

130.6 Правила разводки и DRC

Правила — числа, которые проверка сверяет по всей плате. У новой платы KiCad:

Перед заказом правила сверяют с возможностями выбранного завода: у дешёвых серий минимальные зазоры и отверстия бывают крупнее, чем умеет программа.

Что находит DRC, видно по наивной расстановке из раздела 131: 20 нарушений семи видов — замыкания дорожкой через чужие выводы, мостики маски, детали друг на друге, медь у самого края, надписи на площадках. После исправления расстановки — ни одного; остаются только неразведённые соединения, и это отдельный список работы, а не ошибок.

130.7 Что отдают на завод

Для платы из раздела 131 это 10 файлов. Выпуск «всех слоёв» даёт 25 файлов — 24 слоя вместе со вспомогательными, которые заводу не нужны и только путают. Для сборки на заводе к ним добавляют перечень деталей (BOM) и файл координат для автомата установки.

130.8 Грабли

130.9 Итоги

• Две стороны: сверху детали и сигналы, снизу сплошная земля — не резать.
• Развязка 100 нФ у каждого вывода питания: у LQFP-48 F103 — 24, 36, 48 и VDDA 9; по нормали, коротко, землёй сразу в отверстие.
• Конденсаторы кварца: C1 = C2 = 2 × (CL − Cпар); 18 пФ → 26–30 пФ.
• BOOT0 — 10 кОм на землю, NRST — 100 нФ у вывода, разъём SWD — у края платы, PA13 и PA14 не занимать.
• Ширина под ток по IPC-2221: 1 А при 10 °C — 0,30 мм снаружи, 0,78 мм внутри.
• Правила KiCad по умолчанию — 0,2 мм; перед заказом сверить с заводом.
• На завод — 10 файлов: восемь слоёв, задание и сверловка.

Дальше: раздел 130а «Как читать принципиальную схему: обозначения, цепи, листы» — значки, буквы, цепи и листы: как найти на чужой схеме, куда идёт вывод.