Профессиональная работа в системе DesignSpark PCB.
Часть 3. Проектирование печатной платы на примере светодиодного модуля

№ 10’2015
Продолжение. Начало в № 7’2015
Комплекс САПР DesignSpark PCB и DesignSpark Mechanical в сочетании с бесплатной библиотекой компонентов от компании RS Components позволяет проектировать изделие от принципиальной схемы до создания конструктива. В статье рассказано о проектировании печатной платы: обсуждены настройка технологических параметров, автоматическое или ручное размещение компонентов, автоматическая или ручная трассировка, проверка проектных правил, вывод рисунка платы на печать. Все шаги иллюстрированы на примере печатной платы светодиодного модуля. Это восьмая статья из цикла о комплексе САПР DesignSpark, адресованного инженерам и подготовленного компанией RS Components Russia, глобальным дистрибьютором товаров по каталогу.

Все статьи цикла

Введение. Задача проектирования

Напомним задачу: создать принципиальную схему и развести печатную плату устройства средствами САПР DesignSpark PCB на примере светодиодного модуля [8]. Модуль может использоваться в светильнике декоративного или служебного освещения или интерьерной подсветки. Наш модуль состоит из нескольких светодиодов популярной серии Duris E5 производства компании Osram [9] и самого популярного в светотехнике коннектора Wago 2060-402 [10]. Обычно платы со светодиодами реализуются на алюминиевом основании, следовательно, они односторонние. Поскольку светодиоды Duris E5 не очень мощные, можно разместить их на стеклотекстолите. В учебных целях сделаем печатную плату двусторонней. Мы не рассматриваем вопросы проектирования модуля с точки зрения светотехнических параметров, расчета отвода тепла от светодиодов и т. п., эти вопросы остаются за рамками статьи, здесь мы приводим пример, иллюстрирующий возможности программы DesignSpark PCB. Форма и размеры печатной платы обычно задаются в техническом задании (ТЗ). Предположим, что по ТЗ печатная плата должна иметь круглую форму диаметром 40 мм с крепежным отверстием диаметром 2,5 мм в центре платы (рис. 1).

Внешний вид проектируемого светодиодного модуля

Рис. 1. Внешний вид проектируемого светодиодного модуля

В предыдущих статьях были рассмотрены пользовательская настройка DesignSpark PCB [6] и создание библиотек компонентов и принципиальной схемы [8]. Пришло время убедиться в широких возможностях системы при создании печатной платы. Для этого поэтапно рассмотрим следующие процессы:

  • Окончательное определение параметров технологического файла редактора PCB.
  • Трансляция схемы в редактор PCB.
  • Автоматическое и ручное размещение компонентов на печатной плате.
  • Автоматическая и ручная разводка медных трасс и их редактирование.
  • Создание областей, покрытых медью.
  • Контроль проектных правил.
  • Прямая и обратная передача изменений в проекте.
  • Просмотр печатной платы в 3D.
  • Подготовка Gerber-файлов.
  • Вывод чертежа печатной платы на принтер.
  • Поиск и заказ компонентов.

 

Редактирование технологического файла

Откроем ранее созданный проект Led_modul.prj, выбрав его в списке Projects в рабочей области Start Page. Вспомним структуру файлов программы (рис. 2) [8]. Нам нужно уточнить некоторые параметры в ранее созданном технологическом файле Metr_1000.ptf: параметры контактных площадок, медных проводников, силовых линий, медных полигонов и т. д.

Структура файлов САПР DesignSpark PCB

Рис. 2. Структура файлов САПР DesignSpark PCB

Определение параметров контактных площадок

Откройте в окне Design Technology закладку Pad Styles и создайте новые контактные площадки, которые будут использованы не только в текущем, но и в последующих проектах. С помощью кнопки Add Style в окнах Pad Style определите имя, форму и размер новых стилей, как показано на рис. 3.

Создание контактных площадок различной формы и размеров

Рис. 3. Создание контактных площадок различной формы и размеров

Новые контактные площадки и переходные отверстия различного размера будут использоваться под соответствующую плотность тока. Переходные отверстия предназначены для межслойных соединений в печатных платах, они обозначены как Pow Via, Small Via и т. д. (рис. 3а). Контактные площадки Rnd Pad и Sqr Pad будут использоваться для выводных компонентов и имеют круглую или квадратную форму (рис. 3б, в).

Контактная площадка Tech Pad будет использоваться как технологическое отверстие для крепежа печатной платы. Характерной ее особенностью является равенство внешнего и внутреннего диаметра площадки (рис. 3г). Именно это свойство позволяет системе DesignSpark PCB идентифицировать ее как крепежное отверстие. При этом система будет выводить предупреждающее сообщение о том, что диаметр площадки равен диаметру отверстия, примите эти сообщения нажатием кнопки OK. В том же окне можно снять отметку пункта Plated для исключения этого типа площадок из контроля проектных правил. Окончательный список стилей контактных площадок отображен на рис. 4, нажмите кнопку «Применить» для их сохранения.

Полный список стилей контактных площадок и переходных отверстий

Рис. 4. Полный список стилей контактных площадок и переходных отверстий

Определение стиля трасс

Стили текстов и линий были определены в первой части статьи [6], поэтому необходимо сразу перейти к определению стилей трасс, то есть медных дорожек на печатной плате. Щелкните в окне Design Technology (рис. 3) табулированную закладку Track Styles и нажмите кнопку Add Style для вывода окна создания стилей. Определите в нем имя стиля медной трассы, ее ширину и нажмите OK. Таким же образом создайте несколько новых стилей (рис. 5), которые найдут применение не только в текущем, но и в будущих ваших проектах. Имена трасс и их ширина характеризуют область их применения в силовых или сигнальных электрических цепях. На практике выбор ширины трасс можно проверить встроенным в систему калькулятором, когда будут известны параметры токов, проходящих по конкретным трассам.

Список созданных стилей медных трасс

Рис. 5. Список созданных стилей медных трасс

Определение рабочих слоев печатной платы

Отдельные части проекта печатной платы, такие как тексты, изображения корпусов компонентов, медные трассы, контактные площадки и прочие, располагаются в разных слоях. Слои на печатной плате могут быть электрическими и неэлектрическими, они могут добавляться или удаляться из проекта при условии, что не связаны с другими пунктами, хотя такие действия считаются некорректными. Наиболее приемлемым считается определение рабочих слоев в технологическом файле с последующим подключением его к проекту. Выберите в окне технологического файла закладку Layers и создайте или отредактируйте шесть слоев, как показано на рис. 6. Этих слоев должно быть вполне достаточно для использования в проектах.

Окна определения параметров рабочих слоев печатной платы

Рис. 6. Окна определения параметров рабочих слоев печатной платы

В списке Type определяется тип слоя: тип Documentation предназначен для размещения текстовых пунктов, тип Silk Screen содержит изображения компонентов, тип Electrical предназначен для размещения токопроводящих медных трасс и других медных объектов. В списке Side определяется сторона размещения слоя на плате, список Bias предназначен для выбора действий и предпочтительного направления медных трасс при автоматической трассировке. В списке Color указывается цвет слоя, пункт Usage определяется автоматически при выборе списка Type. Список Net в нашем случае определять не нужно, поскольку он используется в многослойных печатных платах. При необходимости можно определить масочные слои resist и paste. В текущем проекте использование масочных слоев не предусмотрено, можно в качестве примера создать масочные слои только для верхней стороны платы.

В результате раздел Layers технологического файла должен выглядеть, как на рис. 7.

Список рабочих слоев печатной платы

Рис. 7. Список рабочих слоев печатной платы:
а) левая часть таблицы параметров слоев;
б) правая часть таблицы параметров слоев

 

Типы слоев

В закладке Layer Types необходимо дополнительно определить тип слоя, его использование и взаимодействие с компонентными контактными площадками в слое. Косые крестики перед именем слоя обозначают его применение в проекте. Выберите слой Silk Screen и отредактируйте его (рис. 8а). Этот слой не содержит контактных площадок, потому снимите все отметки в чекбоксах. Аналогично должно выглядеть окно редактирования слоя Documentation. Слой Electrical (рис. 8б) редактировать не надо, а масочные слои можно редактировать, как показано на рис. 8в, г.

Окна редактирования параметров слоев печатной платы

Рис. 8. Окна редактирования параметров слоев печатной платы

Обратите внимание, что в слое paste маска должна быть несколько меньше контактных площадок, поэтому в отмеченном разделе Oversize ее размер определяется как Smaller (рис. 8в), а в слое resist маска должна быть больше контактных площадок, поэтому ее размер определяется как Larger (рис. 8г). Насколько меньше или больше будет размер маски, определите ниже в разделе By This Amount, задав абсолютное значение размера или проценты. Это так называемые негабаритные определения масок в неэлектрических слоях, система DesignSpark PCB создает их автоматически, исходя из размера контактных площадок в электрических слоях. Таким образом, все необходимые типы слоев, определенные в разделе Layer Types технологического файла, должны выглядеть, как на рис. 9.

Рис. 9. Список типов слоев печатной платы:

Рис. 9. Список типов слоев печатной платы:
а) левая часть таблицы;
б) правая часть таблицы

Цепи и их классификация

На этом этапе необходимо вернуться назад, для чего в рабочем окне откройте принципиальную схему Sh_ledmod.sch проекта.

Установите курсор на линию связи между контактом 1 разъема XS1 и анодом светодиода HL1 и, изменяя масштаб колесом мыши, увеличьте ее в центре экрана. Установите курсор точно на линию связи, в контекстном меню Change Net отредактируйте имя цепи (рис. 10).

Редактирование имен и типов цепей

Рис. 10. Редактирование имен и типов цепей

В верхнем окне Net Name отобразится имя цепи, которое система назначила автоматически. Переназначьте имя цепи как Vcc, которая была определена нами ранее в технологическом файле на этапе создания схемы (рис. 9а). Нижний список Net Class отображает класс цепи, для выбранной Vcc он определен как Power. Нужно отметить, что все проводники модуля в проекте будут классифицироваться как Power, поскольку все они являются силовыми, а не сигнальными. Нажмите OK для изменения имени цепи. Если теперь установить курсор на линию связи, то появится всплывающее окно с ее новым именем.

Аналогично определите линию связи между катодом HL1 и анодом HL3 как Ak1 класса Power. Последовательно измените имена остальных цепей на Ak2–Ak7, не забывая классифицировать их как Power. Цепь между катодом HL2 и контактом 2 разъема XS1 назовите Gnd, ее класс уже определен как Ground. Проверьте имена и классы цепей в закладке Nets окна Design Technology (рис. 11). Обратите внимание на косые крестики напротив имен цепей, что говорит об использовании данных цепей в текущем проекте.

Список цепей в технологическом файле схемы

Рис. 11. Список цепей в технологическом файле схемы

Имена цепей из схемы в редактор печатных плат будут переданы автоматически при трансляции схемы в PCB.

Откройте Metr_1000.ptf и закладку Net Classes. Здесь необходимо определить классы цепей применительно к особенностям печатной платы. Кроме того, классы цепей, определенные вами в любом схемном технологическом файле *.stf, должны совпадать с классами цепей в соответствующем технологическом файле для печатной платы *.ptf. Поэтому следует быть внимательным во избежание ошибок в проекте. Откройте окно Net Class (рис. 12) с помощью кнопки Add. В окне Name определите имя класса Ground, в списке Type выберите Power, в других разделах окна определите тип медных трасс Minimum Track Style шириной 0,7 мм и Nominal Track Style шириной 1,5 мм, а также тип переходного отверстия Via Style.  Для этого из списков выберите типы трасс с минимальной и номинальной шириной, а также тип переходного отверстия (рис. 12), стили которых были созданы вами ранее.

Окно создания классов цепей для печатной платы

Рис. 12. Окно создания классов цепей для печатной платы

Аналогичным способом создайте новые классы Power и Signal с параметрами, указанными на рис. 13.

Список классов цепей печатной платы

Рис. 13. Список классов цепей печатной платы

Определение зазоров

Для определения минимальных расстояний и зазоров между объектами печатной платы щелкните мышью табулированную закладку Spacings. Эти расстояния определяют реальные допуски и производственные возможности изготовителей печатных плат. Для этого дважды щелкните мышью в каждое незатененное окошко и введите нужное значение, завершая ввод клавишей Enter. В затененных окошках изменения производятся автоматически по мере ввода новых значений (рис. 14).

Окно определения зазоров между объектами печатной платы

Рис. 14. Окно определения зазоров между объектами печатной платы

Определение проектных ограничений

Правила и ограничения проектного процесса зададим в закладке Rules (рис. 15). Раздел Powerplanes используется при создании экранных и силовых слоев платы. Задайте зазор Isolation Gap 0,5 мм. Он определяет минимальное расстояние между дорожками платы и силовыми слоями или экранными областями, не связанными между собой, а также задает ширину термического рельефного профиля вокруг связанных панелей. Параметром Thermal Relief определите ширину четырех ребер, соединяющих панели с силовыми слоями. В разделе Pads and Drills в пункте Drill Spacing определите минимальное расстояние между отверстиями 2 мм, а в Min Pad Annular Ring ограничьте минимальную ширину меди на контактных площадках 0,5 мм, исключая размеры отверстия. В Min Paste Size определите минимальный допустимый размер 0,075 мм для слоев, которые используют paste-маску, чтобы на небольших панелях не получить ее слишком малой.

Окно определения проектных ограничений

Рис. 15. Окно определения проектных ограничений

В разделе Component to Component Spacing задайте минимальное расстояние между компонентами на сторонах печатной платы, в разделе Tracks определите минимально допустимую ширину трассы 0,5 мм (рис. 14). Сохраните изменения и закройте технологический файл Metr_1000.ptf.

 

Трансляция принципиальной схемы в редактор печатной платы

Для запуска процесса трансляции в группе меню Tools выберите пункт Translate To PCB. Трансляция происходит поэтапно, что отображается в левой части окна Technology (рис. 16). На каждом этапе нажимайте кнопку «Далее» для продолжения процесса трансляции или «Назад», если хотите просмотреть или корректировать предыдущий этап.

Трансляция схемы в печатную плату: подключение технологического файла к редактору PCB

Рис. 16. Трансляция схемы в печатную плату: подключение технологического файла к редактору PCB

На этапе Technology в пункте Choose Technology File выберите технологический файл Metr_1000.ptf. В результате будут заданы система измерения и точность. Перейдите к следующему этапу Layers, где определяются все рабочие слои печатной платы. Поскольку они были определены нами ранее в технологическом файле, то продолжим процесс переходом в окно Board (рис. 17) для определения формы и размера печатной платы.

Трансляция схемы в печатную плату: определение формы и размеров платы

Рис. 17. Трансляция схемы в печатную плату: определение формы и размеров платы

По ТЗ печатная плата имеет круглую форму диаметром 40 мм с крепежным отверстием диаметром 2,5 мм в центре платы. Для определения формы печатной платы в виде круга отметьте пункт Circle (рис. 16), задайте ее диаметр и нажмите «Далее». В окне Place And Route возможно выбрать автоматическое размещение компонентов на печатной плате и автоматическую разводку медных трасс, пока пропустите эти пункты. Отметьте пункт   для размещения компонентов за пределами платы.

В последнем окне Finish назовите файл печатной платы как Pcb_ledmod и нажмите кнопку «Готово». Откроется новая рабочая область редактора PCB (рис. 18) с круглой печатной платой и корпусами разъема и восьми светодиодов за ее пределами. Переданные из схемы электрические связи между компонентами изображены в виде цветных линий.

Рабочая область редактора печатной платы САПР DesignSpark PCB

Рис. 18. Рабочая область редактора печатной платы САПР DesignSpark PCB

В нашем проекте пока не будут использоваться слои paste и resist, поэтому в верхнем меню выберите Colors и в одноименном окне на закладке Layers and Layer Spans щелчком мыши в окошках столбцов Displayed и Selectable отключите слои Top Paste и Top Solder Resist.

 

Размещение компонентов на печатной плате в САПР DesignSpark PCB

В этом разделе рассмотрим возможности системы DesignSpark PCB при автоматическом и ручном размещении компонентов на печатной плате. Автоматическое размещение возможно только для компонентов, к которым еще не были подключены физические медные трассы. Система размещает компоненты исходя из оптимальности электрических связей, поэтому необходима последующая ручная корректировка. Данные возможности, вероятно, весьма эффективны для больших проектов. В нашем случае в авторазмещении нет большой необходимости, но мы его рассмотрим в качестве примера.

Автоматическое размещение компонентов

Для начала в меню Tools отключите пункт онлайн-контроля проектных правил Online DRC. Затем в том же меню выберите пункты Auto Place Components -> All Components для вывода окна (рис. 19). Отметьте пункт View Component Placement, который определяет видимость процесса размещения компонентов на плате, и пункт Allow Components to be Rotated, разрешающий вращение компонентов для более эффективной оптимизации связей. Minimum Space Allowed Between Components определяет минимальное расстояние между компонентами, задайте 1 мм, а Placement Grid — минимальный шаг сетки размещения компонентов, введите 0,25 мм. Нажмите OK для запуска процесса.

Определение параметров автоматического размещения компонентов

Рис. 19. Определение параметров автоматического размещения компонентов

На рис. 20 показан результат автоматического размещения компонентов. Все компоненты перемещены в пределы печатной платы, электрические связи между ними сохранены. Другое дело, что такой вариант для нашего проекта неприемлем, и необходима ручная коррекция.

Результат автоматического размещения компонентов на печатной плате

Рис. 20. Результат автоматического размещения компонентов на печатной плате

Ручное размещение компонентов

Прежде чем продолжить, вспомним правила выделения компонентов для выполнения с ними каких-либо действий. В редакторе PCB можно выбирать отдельно контактные площадки, условные обозначения, а также компонент целиком обычно щелчком мыши по корпусу компонента. При этом выбранный объект или весь компонент изменяет свой цвет на белый. Для отмены выбора следует щелкнуть мышью в свободном месте рабочей области. Для начала выделите щелчком мыши весь разъем XS1 и нажмите клавишу F клавиатуры, он будет перенесен на нижнюю сторону платы — мы увидим это по изменению его цвета. Затем выберите отдельно условное обозначение разъема и снова нажмите клавишу F для его нормального отображения.

Разместите светодиоды по кругу вдоль контура печатной платы. Один из возможных вариантов расположения компонентов на печатной плате отображен на рис. 21.

Результат ручного размещения компонентов на печатной плате в DesignSpark PCB

Рис. 21. Результат ручного размещения компонентов на печатной плате в DesignSpark PCB

Вращение выбранных компонентов и объектов осуществляйте с помощью клавиши R. Для поворота на 45° или на любой другой угол используйте меню правой кнопки Rotate>Rotate By, в котором можно задать произвольный угол. Для повышения точности размещения компонентов предлагается очень эффективное инструментальное средство редактора PCB Measure Gap. Это средство позволяет с большой точностью измерять расстояния между соседними компонентами, а также между компонентом и границей печатной платы. Кроме того, используя минимальный шаг сетки, вы можете корректировать положение компонентов с помощью клавиш клавиатуры со стрелками. Для этого выберите нужный компонент мышью, нажмите клавишу M и стрелочными клавишами двигайте компонент в любом направлении на один шаг сетки. Для отмены перемещения нажмите клавишу Esc.

 

Заключение

Итак, мы создали необходимые контактные площадки и другие объекты печатного монтажа, определили их параметры, транслировали принципиальную схему в редактор печатной платы и, главное, разместили компоненты на плате. Сравнение автоматического и ручного размещения компонентов в нашем случае показало, что ручное размещение позволяет максимально учесть особенности изделия. В следующий раз мы рассмотрим разные варианты автотрассировки, проведем трассы вручную, напечатаем чертеж и подготовим Gerber-файлы для производства.

Литература
  1. rsrussia.ru
  2. Кривандин C. Что такое DesignSpark? Комплекс бесплатных САПР! // Компоненты и технологии. 2014. № 12.
  3. Савиль Р. Разработка печатной платы с помощью бесплатной САПР DesignSpark PCB // Электронные компоненты. 2015. № 5.
  4. Грибовский А. Трехмерное моделирование средствами DesignSpark Mechanical // Компоненты и технологии. 2015. № 3.
  5. Лысенко А. DesignSpark Mechanical: проектируем свой первый объект // Компоненты и технологии. 2015. № 5.
  6. Дымов А. Профессиональная работа в САПР DesignSpark PCB. Часть 1: Установка и пользовательская настройка // Компоненты и технологии. 2015. № 7.
  7. Лысенко А. Второй проект в DesignSpark Mechanical: тело вращения с внешними ребрами. Что это будет? // Компоненты и технологии. 2015. № 8.
  8. Дымов А., Кривандин C. Профессиональная работа в системе DesignSpark PCB. Часть 2. Создание принципиальной схемы и собственной библиотеки компонентов на примере светодиодного модуля // Компоненты и технологии. 2015. № 9.
  9. osram.ru
  10. wago.ru

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *