4 Návrh DPS

Pro návrh DPS slouží program Pcbnew, který můžeme spustit z hlavního projektu KiCADu. Knihovny modulů již máme nastaveny z přiřazování pouzder. Nejdříve si načteme netlist pomocí ikonky . Okno, které se objeví automaticky nabídne soubor netlistu, který je přiřazen projektu. Můžeme zde však vybírat i jiný netlist. Kliknutím na tlačítko Načíst aktuální netlist se načte netlist do editoru DPS. Nyní můžeme okno netlistu zavřít.

Jako další krok nastavíme v návrhových pravidlech vrstvy (menu Návrhový pravidla / Nastavení vrstev). Zde uvedená ukázka bude pro oboustrannou DPS s pokovenými otvory, součástky pouze na přední straně DPS, nepájivá maska chrání DPS z obou stran. Počet vrstev mědi nastavím na 2. Adves_Front (lepidlo) mohu nechat zapnutou, PájPast_Přední (pájecí pasta) musím mít, protože budu používat SMT, SilkS_Front (potisk) nechám zapnutý, ať vidím potisk na DPS a to i v případě, mže potisk nebudu potřebovat. Přední maska i Zadní maska budou zapnuty. Vrstvy mědi označené jako Zepředu a Zpět mohu přejmenovat a nechám jim parametr Signál. Pokud bych potřeboval vrstvu určenou pouze pro rozvod napájení, označím ji jako Napájení. SilkS_Back, SoldP_Back a Adhes_Back nechám vypnuté. PCB_Edges (ohraničení DPS) nechám vždy zapnuté. ECO1, ECO2, Komentáře a Kresby závisí na potřebě dalších pomocných vrstev. Tyto vrstvy používám pro pomocné kreslení, nebo import přístrojové krabičky, abych věděl kam umístit díry, kde jsou místa pro vysoké součástky apod. Většinou Komentáře a Kresby nechávám zapnuté.

4.1 Návrhová pravidla

Návrhová pravidla umožňují nastavení šířky spojů, izolačních mezer a průchodek pro různé vodiče. Dále umožňují definovat různé třídy sítí. To je výhodné například pro napájení, pro které jsem v ukázce vytvořit třídu „Power“. Zde například výchozí šířka spoje bude 1 mm a průchodka bude vrtána na průměr 1,5 mm. Mikroprůchodky používat zatím nebudeme, protože tato technologie má své opodstatnění u vícevrstvých, a hlavně složitých DPS. Do daných tříd je možno přemístit jednotlivé sítě (spoje) pomocí tlačítek <<< a >>>. Izolační mezera je dána technologií výroby a napětím mezi spoji. Například pokud bychom měli ve schématu napětí 230V, můžeme nastavit izolační mezeru 10 mm. Ale pozor na to, abychom při návrhu měli i související součástky s roztečí větší nebo rovnu nastavené izolační mezeře.

V záložce Globální návrhová pravidla můžeme nastavit volitelné šířky spojů a průchodky, ze kterých si při návrhu budeme vybírat. Je nutno, aby zde a v třídách šířky spojů a průchodky vyhovovaly minimálním povoleným hodnotám.

Další nastavení je potřeba provést pro velikost stránky. Většinou máme tiskárny a papír A4. Nastavíme Soubor/Page settings na A4, případně můžeme vyplnit parametry tiskového razítka, pokud budeme vyžadovat tisknout dokumentaci s KiCADu.

4.2 Rozmístění součástek

Po načtení netlistu se všechny součástky umístily do levého horního rohu obrazovky a vzájemně se překrývají. Jejich výběr by byl obtížný. Pro rozmístění do roviny vybereme ikonkou  režim pouzdra. Pomocí kontextového menu (pravé tlačítko myši) vybereme nabídku Hromadné přesunutí a umístění/Přesunout všechny moduly. Moduly se rozmístí tak, aby každý ležel osamoceně. Levý horní roh počátku umísťování je na místě kurzoru myši.

Nyní můžeme nakreslit obrys DPS. Nejdříve si zvolíme v horním menu mřížku (vhodné je 5 mm nebo 1 mm). Ikonkou  vybereme přidávání čáry nebo obdélníku a v horním menu zvolíme vrstvu PCB_Edges (hranice DPS). Nakreslíme obrys desky. Ten může být obdélníkového tvaru (nejčastější použití), ale může obsahovat i výřezy uvnitř a dokonce pomocí oblouků i zakulacení. Avšak pozor při výrobě – oblouky jsou mnohde se speciálním příplatkem.

Jako další krok umístíme na desku montážní díry. Kliknutím na ikonku  přidáme modul, který vybereme procházením podobně jako při umísťování schématické značky. V levém sloupci si vybereme knihovnu (na obrázku je vybrána „Díry“) a v pravém sloupci vybereme součástku. Součástka se zobrazí v okně. Je možno současně zobrazit i 3D tvar součástky pomocí ikonky  (ale to u díry nemá smysl :-).

Nyní díry uzamkneme, abychom je omylem nepřesunuli na jiné místo. Kliknutím na díru pravým tlačítkem z kontextového menu vybereme Uzamknout modul. Vidíme, že je k dispozici také klávesová zkratka L, tady stačí přejet kurzorem na díru a stisknout L.

Potom lze již rozmísťovat některé součástky. Přemísťování se dělá pomocí zkratkové klávesy M (Move) nebo zdlouhavě pravým tlačítkem myši. Orientace součástky se mění tlačítkem R (Rotate). Chci-li umístit součástku na druhou stranu, použiji tlačítko F. Typické otáčení ej o 90°, ale je možno ho změnit, nebo součástku (dvouklik nebo tlačítko E) upravit a nastavit orientaci po desetinách stupně. Pokud máme pevně dané rozmístění některých součástek, například konektorů, tlačítek, nebo LED diod, umístíme je prvně a uzamkneme je. Pokud chceme použít asistovaného umístění použijeme volbu automaticky umístit modul nebo automaticky umístit všechny moduly. Tato volba je dostupná jen při vybraném režimu pouzdra (ikonka v horní liště). Ovšem výsledek za moc většinou nestojí, a autoplacer je v KiCADu poměrně pomalý.

Pokud máme současně otevřené schéma, kliknutím na součástku v editoru DPS se součástka vycentruje v editoru schématu. Můžeme tak jasně vidět, které součástky s daným blokem souvisí. (V programu OrCAD toto měli vyřešené lépe, vybraná součástka nebo spoj změnil barvu).

Pokud potřebujeme změnit schéma, můžeme schéma ihned upravit a znovu spustit netlist. Pokud jen zaměňujeme vývody, nemusíme spouštět znovu Cvpcb. Pokud přidáváme nebo měníme pouzdro, je vhodné Cvpcb spustit a úpravu provést.

V ukázce vidíme, že by konektory byly za sebou. Proto jsem otočil P2 ve schématu, kliknul na netlist ve schématu, tím došlo k update netlistu. V Newpcb jsem kliknul na netlist, načetl netlist a otočil konektor. Nyní je to tak, jak jsem potřeboval.

Pro kreslení spojů doporučuji nastavit jemnější rastr než pro umísťování součástek. Většina vývodových součástek je v rastru 2,54 mm (jejich násobcích či zlomcích). Pokud máme hodně jemné SMD součástky, tak doporučuji rastr umísťování 0,254 mm nebo 0,5 mm a rastr kreslení 0,127 mm. Ovšem pro umísťování metrických součástek (typicky pro konektory ARK na obrázku s roztečí 5 mm), je nutno zvolit metrickou rozteč, jinak konektory nebudou umístěny přesně.

Při přesném umísťování součástek můžeme nastavovat nulový bod souřadnic pomocí mezerníku a v informačním řádku dole číst pozici kurzoru (a tedy i středu součástky). Bohužel všechny absolutní souřadnice v KiCADu jsou nastaveny relativně k hornímu levému rohu stránky. Při dvojím kliku na součástku můžeme měnit její přesné umístění a další parametry. Kvůli tomuto nedostatku je někdy vhodné začínat DPS (zejména symetrickou DPS) v ose souřadnic a součástky umísťovat na pozice právě pomocí vlastností součástky, a poté, co je celý návrh hotov ho přenést dovnitř stránky (kvůli tisku).

Kromě nastavení souřadnic (Poloha) je možno vlastnosti modulu použít k nestandardnímu otočení (Orientace/Uživatelská). Někdy je třeba otočit součástku o 45°, tak zde zadáme číslo 450. Poté rotace součástky otočí o 90° již otočené součástky (45°, 135°, 225°, 315°). Side (strana) určuje, je li součástka umístěna na horní nebo spodní straně DPS.

Součástka má dále atributy, určené pro generování souboru pro osazovací stroje. Pokud je součástka označena jako Normálně + vložit, bude vždy na seznamu pro osazovací automat. Typické pro SMD součástky. Oproti tomu volba Virtuálně je vhodná pro prvky, které se fyzicky neosazují. Jedná se například o konektor vytvořený na DPS (ISA, PCI), nebo o anténu tvořenou plošným spojem. Atribut Normální se pak použije pro všechny ostatní vývodové součástky, co se neplácají (not place ;-) do pasty.

Další nastavení ohledně automatického přesunutí a umístění se týká jeho povolení, a povolení rotace. U rotací - pokud budou všude hodnoty 0, součástka zůstane orientována jak byla. Pokud bude o 180° hodnota 10, autoplaceru nebude vadit otočení této součástky. Pokud je hodnota něco mezi tím, bude se autoplacer snažit součástku neotáčet a když to nejde tak ji otočí. Pozice značí jak preferujeme otáčení. Totéž platí o 90° otáčení. Například u některých IC (SOIC) nechceme otáčení o 90°, protože víme, že výrobek bude osazován vlnou a mohl by nastat problém se stíny nebo můstky.

Local settings bude probráno v kapitole o vytváření modulů.

V záložce Nastavení 3D je možno přiřadit jeden nebo více 3D tvarů pro danou součástku. Tvary je možno zvětšovat, posouvat a rotovat přímo v tomto okně, což je použitelné, pokud je jedna součástka nakreslena a mění se jen její rozměr. Avšak kvůli pohodlnosti je lepší danou součástku přímo ve 3D editoru uložit ve více rozměrech. Otázka je, proč přidávat dva nebo více tvarů. Například máme nasunovací konektor a chceme vidět, jak bude DPS vypadat bez nasunutého konektoru nebo s nasunutým konektorem. Další možností je krabička s krytem a bez něj. SD konektor bez SD karty, se zasunutou SD kartou a se zasouvanou SD kartou (maximální rozměr). Tak lze snadno pohlédnout, jestli se to někde nepřekrývá s jinými součástkami.

4.3 Kreslení spojů

Spoje kreslíme pomocí ikonky  (přidat spoje). Pokud potřebujeme vytvořit průchodku na jinou vrstvu, zvolíme ji v době kreslení spoje, pomocí příslušné klávesové zkratky. Jiná možnost je přidat průchodku pomocí nabídkového menu myši, a poté zvolit příslušnou vrstvu (u vícevrstvých desek je vrstvu třeba volit, u dvouvrstvých desek je po přidání průchodky vrstva změněna automaticky. Při kreslení můžeme použít tlačítko  režimu zobrazení s vysokým kontrastem. To způsobí, že všechny ostatní vrstvy budou zobrazeny v šedivé barvě, a jenom vybraná vrstva v barvě nastavené.

Při práci se mi osvědčilo se zaměřit na určitý blok schématu. Zde umístit několik součástek, propojit je a pak přidávat další součástky a zase propojovat dokud není deska úplně naroutovaná.

V průběhu umísťování součástek, ale i na závěr je možné výslednou DPS prohlédnout ve 3D prohlížeči (Pohled/3D Display), jak bude výsledek vypadat. To je výhodné například když máme definovanou krabičku, ve které bude DPS umístěna, a je nutno dodržet rozměry na výšku v určitých místech. Ne všechna pouzdra mají 3D tvar. 3D tvar lze však nakreslit.

Pokud má součástka vývody navíc, které nejsou ve schématu a potřebujeme je připojit (např. na zem), tak to pomocí kreslení se zapnutým DRC nejde. Aby bylo všechno OK, stačí kliknout na vývod součástky a upravit jeho vlastnosti. Do políčka Net name napsat název sítě (GND) a normálně propojit v DRC režimu. Avšak toto nastavení se smaže při načtení netlistu, a je ho před DRC v hotové DPS přiřadit manuálně.

Poté, co máme DPS nakreslenou doporučuji spustit DRC – Nástroje/DRC . Pokud je všechno v pořádku, nevypíší se žádné chyby a seznam nezapojených spojů bude prázdný. V případě chyby je možno na danou chybu kliknout, okno DRC se zavře a kurzor se přenese na na místo chyby. Chyby jsou označeny šipkou.

4.4 Zóny

Po odstranění všech chyb je možno podle potřeby vytvořit zóny – rozlití mědi. Rozlití mědi slouží jako stínění a také jako lepší vodič, pokud ho spojíme s rozvodem napájení. Rozlití mědi nespojujeme se signálním vodičem (snad bychom chtěli vytvořit anténu :-). Nastavíme si vhodnou mřížku (typicky nastavuji 1 mm). Klikneme na ikonku  přidat vyplněné oblasti. Dále klikneme na první bod okraje zóny. Okraj zóny by neměl být totožný z okrajem DPS, měl by být o něco dále, zejména u vícevrstvých DPS by to mohlo činit výrobní a funkční problémy (proto odsazuji okraj 1 mm od okraje DPS). Objeví se okno vlastnosti zóny.

Zde vybereme vrstvu na které chceme vytvořit rozlití mědi, vybereme síť spojenou s rozlitím mědi (typicky GND, někdy VCC či jiné napájení). Izolační mezera udává odstup mědi od vodičů (pokud není na dané třídě spoje je definováno více). Minimální tloušťka udává tloušťku šrafovacích čar. Spojení plošky s rozlitou mědí je možno pomocí teplotního profilu – kde je použito nastavení termálního reliéfu, solid – plného spojení a žádné – bez propojení s ploškou (na ukázce je ploška propojena se zemí zřejmě v jiné vrstvě).

Termální reliéf                         Solid                              Žádné     

Pro nastavení termálního reliéfu máme Antipad clerance, což je odstup rozlité mědi od plošky a Spoke width, což je šířka spojovacího vodiče se zemí.

Priorita (Priority level) určuje, která zóna bude v dané vrstvě rozlita v případě, že se více zón překrývá v dané vrstvě (zkrátka - která to vyhraje). Počet segmentů určuje kvalitu výstupu (tedy také ovlivňuje dáno rychlost překreslování, velikostí generovaného Gerber souboru). Většinou volím kvalitnější - 32 segmentů. Zkosení obrysu znamená že můžu kreslit libovolně nebo jenom v násobcích 45°, což je většinou co potřebuji. Ale někdy mám DPS s nestandardními úhly pro obrys (např. DPS do kulaté krabičky a potřebuji jiné úhly než 45°. Styl obrysu mi nabízí možnost virtuálního zobrazení při při nevyplněné oblasti. Šrafované čáry nebudou v Gerber souboru ani na tiskárně vidět, je to jen pro naši informaci.

Pokud potřebujeme, aby se se určitá oblast nevyplňovala, je možno nakreslit zónu se stejnými parametry uvnitř zóny. Avšak zóna musí mít vyšší prioritu. V případě, že zóna bude mít stejnou prioritu, tak se nevytvoří, nebo se při překreslování zón sama smaže.

Když máme zóny nakresleny, můžeme zóny vyplnit. K tomu slouží při výběru zóny pravé tlačítko myši a Vyplnit/znovu vyplnit všechny zóny. Nebo rychleji pomocí DRC kdykoliv.

4.5 Potisk

Nyní už je deska funkčně navržená. Zbývá už jenom rozmístění potisku (SilkS = silk screen). Vypneme všechny vrstvy mědi a necháme jenom vrstvu, která je na stejné straně jako potisk, který budeme upravovat. Dále vypneme zobrazení skrytých textů – hodnoty se na potisku nezobrazují.

Pokud je každý text jinak veliký, použijeme hlavní menu Úpravy/Reset Module Field Sizes. Pro SMD používám výšku i šířku znaku nastavenou na 1 mm, někdy v opravdu „hustých“ aplikacích i 0,8 mm. Nesmíme však zapomínat na technologické možnosti výroby, takže text vysoký 0,2 mm bude v praxi vypadat jako tečka, nebo vůbec nebude na DPS vytvořen.

Pomocí move a rotate (klávesy M a R) můžeme přesouvat a rotovat reference modulů. Reference by se samozřejmě neměla překrývat s jinou referencí, čárami, vodivými ploškami, testpointy a měla by být na nepájivé masce. U referencí je důležité, aby se vztahovali k dané součástce a bylo z toho jasné ke které součástce patří. Pokud to nejde zajistit, pomůžeme si vykreslením čáry ve vrstvě potisku. Není vhodné dávat nápis tak, aby byl napůl na vodiči a napůl mimo vodič. Může to blbě držet při výrobě (zejména malé a tenké nápisy) a taky to blbě vypadá. Ale mnohdy se to nedá. Je-li to však možné snažím se dávat nápisy buďto na měď nebo na prázdné místo.

Do vrstvy potisku se také přidává popis vývodů konektorů (zde +, D, A, -, ...), symboly šroubků (pro fajnšmekry), název DPS, datum nebo verze, název firmy, apod.

Totéž můžeme učinit pro BOTTOM vrstvu, v případě, že máme součástky zespodu.

4.6 Osazovací plán

Osazovák slouží pro snadnou orientaci osoby osazující prototyp DPS. Pokud by bylo osazování automatem, ani bychom tento druh osazováku dělat nemuseli. Vypneme všechny vrstvy, plošky součástek, průchodky, lepidlo, ECO vrstvy a kresby. Někdy můžeme nechat zadní plošky, to v případě, že máme součástky jen z vrchní strany a osazovák může být přehlednější. Zbude jen viditelný potisk. Potom zobrazíme skrytý text. Pomocí move a rotate (klávesy M a R) umístíme jednotlivé texty.

Nyní jde o to, jak osazovák vytisknout. Tisk samotný (verze srpen 2012) neumožňuje vytisknout osazovák! Skryté texty není možno vytisknout. Dále by bylo vhodné osazovák použít k dalšímu zpracování a publikaci do dokumentu (např. OpenOffice). Proto použijeme export DPS do gerber souboru a z toho už můžeme vytvářet další vektorovou grafiku (např. SVG). Viz. kapitola Výstupy pro výrobu.

4.7 Výstupy pro výrobu

Použijeme Soubor/Plot a objeví se okno, kde si vybereme výstupní adresář. Vybereme všechny vrstvy mědi, případně lepidlo a pájecí pastu pro výrobu šablony, potisky desky, masky a okraje desky. Odkazy listů nebudeme potřebovat a plošky rovněž nebudeme dávat do vrstvy potisku.

Pokud děláme podklady pro výrobu nebudeme ani kreslit hodnoty modulů do vrstvy potisku. Pokud však děláme osazovák, tato volba je pro nás podstatná a musí být zaškrtnuta, stejně je na tom i volba další texty modulu a neviditelné texty. Reference pravděpodobně budeme chtít vidět na DPS. Někdy potřebujeme, aby maska nekryla průchodky a průchodky se prolily cínem při HALu. V tom případě volíme Nepřikrývat průchodky.

V možnostech Gerberu je vhodné mít zaškrtnuty všechny možnosti. Důležité je Vyloučit vrstvu okraje z jiných vrstev, aby nám až na okraj nešlo rozlití mědi nebo potisk a Vyloučit nepájivou masku z potisku, aby potisk nešel za nepájivou masku. Avšak u generování osazováku tuto volbu necháme nezaškrtnutou, protože u osazováku chceme všechny informace.

Tabulka nastavení pro podklady pro výrobu, osazovák a dokumentaci.

Až nastavíme parametry, potom klikneme na tlačítko kreslit, případně vygenerujeme soubor vrtání. Je vhodné si vytvořit zvášť adresáře pro výrobu DPS, osazení a případně pro dokumentaci.

Pro osazovací automat můžeme generovat soubor pozic pro osazování. K tomu slouží Soubor/Fabrication Outputs/Modules Position (.pos) File.

4.8 Soubor pro vrtání

Vrtání je dostupné z dialogu generování gerber souborů (soubor/plot) pomocí tlačítka Generovat soubor vrtání. Pro potřeby výroby v Česku (firmy pro výrobu DPS) budou jednotky vrtání v milimetrech, použijeme desetinný formát. Počátek vrtání musí být nastaven stejně, jako generování GERBER souborů. Tedy pokud jsme při generování souborů zvolili absolutní souřadnice, i zde bude počátek vrtání absolutní. Při generování se generují dva typy souborů: název.drl a název-NPTH.drl. První soubor obsahuje klasické prokovené díry a druhý soubor (Not Plated Through Hole) obsahuje díry bez prokovení. Ty se používají na různé mechanické ukotvení prvků, kde by prokovení vadilo a zabíralo by třeba místo na DPS

List vrtání je určen pro ruční vrtání, pokud bychom si chtěli vyrábět DPS doma. Podle potřeby můžeme list vrtání vyexportovat do požadovaného vektorového formátu, a ten pak vytisknout na tiskárně. Výsledkem je obrázek s rozpiskou děr, podle které snadno vyberete vrták pro požadovanou díru. Samozřejmě, že footprinty vytváří mnoho lidí a je tedy velké množství děr, lišících se jen o jednu desetinu. Mnohdy stačí zauvažovat, zda by šlo tyto díry vyvrtat jedním vrtákem.

Zpráva o vrtání nám dává informaci, kolik je děr a jakým průměrem vrtáku. Osu Y pro výrobu u externí firmy nedoporučuji obracet. Podle potřeby si to ve firmě obrátí sami, protože zpracovávají soubory tak jak jsou. Ale, když děláte vlastnoručně vyráběnou jednostrannou DPS, zase tuto volbu bude nutno zaškrtnout. U oboustranné vlastnoručně vyráběné DPS to záleží na tom, kde máte více spojů.

KiCAD nejlépe zvládá generování výstupů do GERBER souborů, které poté mohu pomocí programu GERBV převést na jiný vektorový formát (např. SVG) a dále používat pro dokumentaci.

4.9 Seznam součástek

Seznam součástek se generuje z programu Pcbnew pomocí Soubor/Fabrication Outputs/Soubor BOM. BOM znamená Bill Of Materials. Výsledkem je CSV soubor (data oddělená středníky) pro zpracování v tabulkovém procesoru:

"ID";"Určovatel";"Pouzdro";"Množství";"Určení";"Tisk rohového razítka";

1;"D6";"L-BARG";1;"BARGRAF";;;

2;"J2";"USB_B";1;"USB1x90B_PCB";;;

3;"U7";"TQFP_64";1;"PIC24FJ128GB106";;;

4;"C3";"SuperCap-0.1F/5.5V";1;"E100G/5.5V";;;

5;"Q1";"SOT23GDS";1;"IRLML6402";;;

6;"U1";"SOT23-5";1;"MCP9800";;;

7;"U3";"SOT23-5";1;"NCP1400A";;;

8;"U2";"SOG8";1;"LE33";;;

9;"U6";"SOG8";1;"MCP6002";;;

10;"U5";"SOG14";1;"MCP6004";;;

11;"D5";"SOD80";1;"BAT46SMD";;;

12;"D2,D4,D3";"SOD123";3;"MBR0520LT1_SMD";;;

13;"L1";"SMT43";1;"TL.SMT43_22uH";;;

14;"J3";"SIL-5";1;"ICSP_PIC_CONN5";;;

15;"R2,R5";"r_1206";2;"22R";;;

... a tak dále

Takovýto soubor tedy otevřeme pomocí tabulkového procesoru (např. OpenOffice Calc nebo MS office Excel) a upravíme do přijatelné podoby, vhodné pro seznam součástek:

4.10 Další užitečné funkce

Úpravy / Global deletions – smazání objektů splňujících nastavení.

Úpravy / Uklidit spoje a průchodky – smaže přebytečné průchodky, nedokončené spoje a sjednotí segmenty spojů, které nelze jednoduše jednoduše posouvat (např. Pomocí „D – táhmout segment, zachovat sklon“).

Úpravy / Zaměnit vrstvy – umí změnit jednu vrstvu za druhou. Prakticky nevyužijeme, jen v případě, že DPS navrhneme chybně, je možno to všechno otočit. Výhoda je pro změnu vnitřních vrstev u vícevrstvé DPS.

Pohled / Seznam sítí – když potřebujeme zobrazit některou označenou síť, jako VCC nebo GND. Po kliknutí se síť projasní.