После того как схема готова, вернитесь в окно проекта и откройте редактор печатных плат, нажав кнопку "Редактор печатных плат" или открыв файл печатной платы.
Основы работы с редактором печатных плат
Навигация в редакторе печатных плат такая же, как и в редакторе схем: перемещение осуществляется с помощью средней или правой кнопки мыши, а масштабирование - с помощью колеса прокрутки или F1/F2.
Основная часть редактора печатных плат — это рабочий лист, где проектируется плата. Слева на панели инструментов находятся элементы управления отображением, такие как единицы измерения и переключатели для контуров и заливок дорожек, каналов, площадок и зон. Справа от листа расположена панель с инструментами для проектирования платы.
На панели инструментов справа некоторые кнопки имеют маленький треугольник в правом нижнем углу. Этот треугольник указывает на наличие раскрывающейся панели с несколькими связанными инструментами, такими как различные варианты размеров. Чтобы активировать альтернативный инструмент, удерживайте кнопку нажатой, пока не появится панель, а затем щелкните на нужном инструменте. Другой способ: щелкните на кнопке и перетащите ее влево до появления панели, затем отпустите кнопку мыши, когда нужный инструмент будет выделен.
Справа находится панель внешнего вида и фильтра выделения. В ней можно настроить цвет и прозрачность слоев, объектов и цепей печатной платы, а также включать и отключать видимость этих элементов. Чтобы сменить активный слой, нужно просто щелкнуть на его название.
Под панелью "Внешний вид" расположен "Фильтр выделения". Он позволяет включать и выключать выделение различных типов объектов на печатной плате. Это особенно удобно при работе с перегруженными схемами, когда нужно выбрать конкретные элементы.
Настройка платы и структуры
Перед началом работы с печатной платой настройте параметры страницы. Для этого откройте меню "Файл" и выберите "Параметры листа". Укажите нужный формат, добавьте дату, номер версии и заголовок.
Перейдите в меню "Файл" → "Настройка платы", чтобы выбрать способ изготовления печатной платы. Основные параметры — это структура (stackup), то есть количество медных и диэлектрических слоев и их толщина, а также правила проектирования, включая размеры и расстояние между дорожками и переходными отверстиями.
Чтобы настроить параметры структуры платы, откройте раздел "Структура платы" → "Физическая структура" в окне "Параметры платы". В этом руководстве рассматривается плата с двумя слоями меди, но в сложных проектах их может быть больше.
Перейдите на страницу "Правила проектирования" → "Ограничения". Здесь задаются основные правила для всех элементов платы. Для этого руководства подойдут настройки по умолчанию. Но в реальном проекте параметры нужно выбирать, учитывая возможности завода-изготовителя печатных плат. Это обеспечит пригодность макета для производства.
Откройте раздел "Правила проектирования" → "Классы цепей". Класс цепей - это набор правил для проектирования, связанных с определенной группой цепей. На этой странице вы найдете правила для каждого класса цепей в проекте. Также можно назначать цепи определенным классам (это можно сделать и в редакторе схем).
Проектировщик может вручную задавать ширину дорожек и расстояние между ними в процессе разводки. Однако рекомендуется использовать классы цепей. Это упрощает управление и проверку правил проектирования благодаря автоматике.
В этом проекте не указан класс цепей, поэтому все цепи будут относиться к классу по умолчанию. Стандартные правила проектирования для этого класса подходят для данного проекта. Однако в других проектах могут использоваться разные классы цепей, каждый из которых имеет свои правила. Например, плата может включать высокоточный класс цепей с широкими дорожками или 50-омный класс с особыми требованиями к ширине и зазорам для дорожек с регулируемым сопротивлением 50 Ом.
Импорт изменений из принципиальной схемы
Разработка схемы завершена, но на плате пока нет ни одного компонента. Чтобы импортировать схему в проект платы, выберите в меню "Инструменты" → "Обновить печатную плату из схемы…" или нажмите клавишу F8. На верхней панели инструментов также есть кнопка, которая дублирует эту команду.
В окне вывода информации вы увидите сообщение о добавлении трех компонентов на плату. Нажмите "Обновить плату", закройте окно и кликните в рабочей области, чтобы разместить посадочные места. Точное расположение мы скорректируем позже.
В KiCad обновление печатной платы с учётом изменений в схеме выполняется вручную: разработчик сам решает, когда целесообразно обновить плату, синхронизировав с изменениями в схеме. Каждый раз, когда редактируется схема, разработчик должен использовать инструмент Обновить плату из схемы, чтобы синхронизировать изменения.
Рисование контура печатной платы
В рабочей области уже есть три компонента, но плата пока не определена. Чтобы создать макет платы, нужно нарисовать её контур на слое Edge.Cuts.
Для удобства рекомендуется использовать сетку с шагом 1 мм, что позволит легко подобрать круглые размеры для платы. Выберите сетку в раскрывающемся меню "Сетка" на верхней панели.
Чтобы нарисовать края платы, выберите слой "Вырезы" и нажмите "Край". Вырезы находятся на вкладке "Слои" в панели "Внешний вид" справа. Выберите инструмент "Прямоугольник" на правой панели инструментов, щелкните по холсту для первого угла, затем снова щелкните для противоположного угла, чтобы прямоугольник охватывал три контура. Другие инструменты, такие как линия, дуга, окружность, многоугольник или Безье, также подойдут для создания контура платы. Главное условие — контур должен быть единой замкнутой фигурой, не пересекающей саму себя.
Размещение посадочных мест
Следующий этап компоновки — размещение компонентов на плате. Здесь важно учитывать несколько общих принципов:
- Некоторые посадочные места могут иметь строгие требования к своему расположению — например, разъёмы, индикаторы, кнопки и переключатели.
- Отдельные компоненты необходимо размещать с учётом электрических характеристик схемы. Блокировочные (шунтирующие) конденсаторы следует располагать как можно ближе к выводам питания соответствующих микросхем, а чувствительные аналоговые компоненты — как можно дальше от источников цифровых помех.
- Практически все компоненты имеют одну (или две, если определены для обеих сторон платы) «габаритную зону» (Courtyard). Как правило, эти зоны не должны пересекаться.
- Во всех остальных случаях компоненты следует располагать так, чтобы обеспечить удобство трассировки. Связанные между собой компоненты обычно размещают рядом, минимизируя сложность соединений. Инструмент «ratsnest» (тонкие линии, отображающие электрические связи между контактными площадками) помогает определить оптимальное взаимное расположение посадочных мест.
В этом руководстве мы разместим компоненты так, чтобы трассировка была максимально простой.
Начните с перемещения держателя батарейки BT1 на нижнюю сторону платы. Выделите компонент, щелкнув на нем, затем нажмите M, чтобы переместить его в нужное место. После этого нажмите F, чтобы перенести держатель на противоположную сторону. Теперь компонент будет зеркально отражен, а его площадки изменят цвет с красного на синий.
Все слои печатной платы рассматриваются сверху. Поэтому посадочные места с нижней стороны выглядят перевернутыми и зеркальными.
Каждый слой платы имеет свой цвет, отображаемый в эскизе на вкладке "Слои" в панели "Внешний вид". По умолчанию элементы на верхнем слое меди (F.Cu) окрашены в красный, а на нижнем (B.Cu) — в синий.
Разместите два оставшихся компонента. Поочередно выберите каждый из них и разместите на плате, используя перемещение (M) и вращение (R). Обратите внимание на линии, соединяющие контактные площадки, чтобы найти наилучшее их расположение. При правильном подходе линии будут минимально запутанными. Пример такой компоновки показан на изображении ниже.
Трассировка дорожек
Теперь, когда компоненты установлены, пришло время соединить контактные площадки с помощью медных дорожек.
Первая дорожка будет нарисована на лицевой стороне платы, поэтому измените активный слой на F.Cu на вкладке "Слои" панели "Внешний вид".
Выберите "Трассировать дорожки" на правой панели инструментов или нажмите X. Нажмите на светодиодную панель D1 и отпустите кнопку мыши. Крайняя линия указывает на наличие неразветвленного соединения со светодиодной панелью R1, поэтому нажмите на эту панель, чтобы нарисовать дорожку, соединяющую две панели. Щелчок по второй панели завершает создание дорожки. Самая тонкая линия между выводами светодиодов больше не проводится, поскольку соединение выполнено из меди.
Нарисуйте дорожку между контактными площадками BT1 и D1. Начните с обратной стороны доски, от BT1. Обратите внимание: после выбора BT1 активный слой автоматически меняется на B.Cu. Завершите создание дорожки, нажав на D1.
У BT1 накладки для поверхностного монтажа находятся только в нижней части платы. В то же время у D1 накладки со сквозными отверстиями соединяются с дорожками как на лицевой, так и на обратной стороне. Такие накладки — это один из способов объединения нескольких слоев. D1 расположен на лицевой стороне платы, но его контактные площадки со сквозными отверстиями служат для подключения к направляющей на обратной стороне.
Еще один способ соединения слоев — это переходы. Начните трассировку с нижней стороны платы от контактной площадки VCC к держателю батарейки BT1. Нажмите клавишу V и щелкните мышью точно посередине между BT1 и R1, чтобы создать переход. При этом слой F.Cu станет активным. Завершите трассировку на верхней стороне платы, кликнув на контакте VCC резистора R1.
Сейчас все цепи разъединены. Это легко проверить, взглянув на информационную панель в левом нижнем углу окна. Там указано, что количество неразведенных цепей равно нулю.
Размещение медных зон
Медные зоны — это участки меди, подключенные к цепи. Они автоматически связываются с другими объектами в своей цепи и не взаимодействуют с объектами из других цепей. Зоны часто применяются для заземления и подключения к источнику питания, так как обеспечивают более низкое сопротивление по сравнению с дорожками.
В диалоговом окне "Свойства медной зоны" выберите цепь GND и убедитесь, что слой B.Cu выбран. Нажмите "ОК", затем кликните, чтобы задать остальные три угла зоны. Чтобы завершить создание зоны, дважды щелкните мышью при размещении последнего угла.
Контур зоны отображается на листе, но зона еще не заполнена — в области зоны нет меди, и, следовательно, в зоне не выполняется никаких электрических подключений. Заполните зону с помощью команды Редактировать → Заполнить все зоны (B). В зону была добавлена медь, но она не соединяется с контактами VCC или светодиодами и дорожками, а обрезана краем платы. Она перекрывается с дорожкой GND, нарисованной ранее, и соединяется с контактами GND тонкими дорожками. Это терморельефы, которые облегчают пайку контактных площадок. Терморельефы и другие настройки зоны можно изменить в диалоговом окне свойств зоны.
В KiCad зоны не заполняются автоматически. Их нужно заполнять вручную при создании, редактировании или перемещении компонентов. Заполнение также требуется при проверке правил проектирования (DRC), если установлен соответствующий флажок. Перед созданием выходных данных для производства проверьте актуальность заполнения зон.
Зоны можно сделать прозрачными через панель "Внешний вид". Аналогично, с помощью Параметров отображения слоев в этой панели, можно скрыть или затемнить неактивные слои.
Проверка правил проектирования
Проверка правил проектирования похожа на проверку электрических правил для схемы. Система DRC выявляет ошибки, такие как несоответствия между схемой и макетом, слишком узкие участки меди или закороченные дорожки, а также незадействованные соединения. Вы также можете создавать собственные правила DRC. Чтобы увидеть полный список проверяемых правил и настроить их строгость, откройте раздел "Файл" → "Настройка платы..." → "Правила проектирования" → "Степень серьезности нарушений". Рекомендуется запустить DRC и устранить все ошибки перед созданием итоговых данных.
Чтобы проверить DRC, выполните следующие шаги:
1. Откройте меню и выберите "Проверка → Проверка правил проектирования".
2. Нажмите кнопку "Проверить DRC" на верхней панели инструментов.
После завершения проверки убедитесь, что нет сообщений об ошибках или предупреждениях. Затем закройте окно DRC.
Теперь намеренно создайте ошибку DRC. Для этого передвиньте контур резистора так, чтобы он касался заполненной области зоны. Используйте клавишу D для перемещения контура, не отрывая дорожки от контактных площадок. Это нарушит зазор, так как контакты VCC, светодиода и резистора замкнутся до заполнения зоны GND. Обычно проблему можно решить, повторно заполнив зону, но пока этого делать не нужно.
Запустите DRC заново, предварительно сняв галочку "Пополнять все зоны". Система выявит шесть проблем: для каждой контактной площадки R1 будет обнаружено три нарушения зазоров. Первое — между контактной площадкой и зоной, второе — между сквозным отверстием и зоной, третье — когда отверстие в паяльной маске обнажает медь двух разных сеток (GND и дорожка, подключенная к пятачку). Стрелки на холсте указывают на каждое нарушение. При клике на сообщение о проблеме изображение увеличивается, показывая детали.
Закройте окно проверки правил проектирования, нажмите B для обновления заливки зоны и повторно запустите DRC. Есть другой способ: в диалоговом окне поставьте галочку "Перезалить все зоны перед DRC" и снова запустите проверку. Все ошибки исчезнут.
3D-просмотрщик
KiCad включает 3D-просмотрщик для проверки печатных плат. Чтобы открыть его, выберите "Вид" → "Просмотрщик 3D". Перемещайтесь с помощью средней кнопки мыши, вращайте плату, перетаскивая левую кнопку. Вращая плату, можно увидеть светодиод и резистор сверху, а держатель батареи снизу.
В 3D-просмотрщике есть режим трассировки лучей. Он работает медленнее, но дает более точное изображение. Чтобы активировать этот режим, выберите "Настройки" и затем "Трассировка лучей".
Большинство посадочных мест в библиотеке KiCad уже имеют 3D-модели, включая те, что используются в этом руководстве. Некоторые посадочные места могут не иметь 3D-моделей, но их можно легко добавить самостоятельно.
Выходные данные для производства
После завершения проектирования платы нужно подготовить данные для ее изготовления. Откройте диалоговое окно "Чертеж" через меню Файл → Чертеж…. В этом окне можно создать чертеж платы в разных форматах. Для заказа у производителя печатных плат чаще всего выбирают формат Gerber.
Укажите каталог для выходных данных, чтобы файлы собирались в отдельную папку. Остальные настройки оставьте по умолчанию. Убедитесь, что отмечены все нужные слои: медь (*.Cu), контуры платы (Edge.Cuts), паяльная маска (*.Mask) и шелкография (*.Silkscreen). Слой пасты (*.Paste) пригодится для создания трафаретов паяльной пасты, а адгезивный слой (*.Adhesive) — если к плате будут приклеиваться компоненты. Для сложных схем могут понадобиться и другие слои, но для обычных печатных плат они обычно не требуются.
Нажмите кнопку Чертить, чтобы сгенерировать Gerber-файлы. Также нажмите кнопку Сформировать файлы сверловки… и в следующем окне нажмите на кнопку Создать файл сверловки для создания файлов, содержащих информацию о расположение всех отверстий, которые будут просверлены на плате. Наконец, закройте диалоговое окно "Чертить". Проектирование завершено.