项目

C-BISCUIT:机器人控制板的布局和装配

2016年10月25日经过罗伯特·凯

我们将讨论一些重要的布局和制造概念，因为我们看看机器人控制板的PCB。

在C-BISCUIT探险的这一部分中，我们将在研究机器人控制板的PCB时讨论一些重要的布局和制造概念。

C-BISCUIT系列

介绍

前两篇文章介绍并解释了机器人控制板(RCB)原理图的各个部分，在理论电路设计的梦幻世界中一切都完美地工作着。

不幸的是，即使您打印出硬拷贝，我们也无法控制具有原理图的机器人。对于该任务，我们需要一个印刷电路板（PCB）。实际上，我们需要多个PCB - 我们需要一个正确安装的组件的PCB。而现在，这并不总是一项直接的任务。

组装窘境

我相信你知道，问题在于表面贴装技术。用烙铁焊接表面贴装组件并不总是容易的;手工焊接现在非常流行的微小或非常细微的表面安装组件绝非易事;手工焊接那些越来越常见的令人抓狂的无铅包装几乎是不可能的;最后，当您处理陆地网格阵列(LGAs)或球网格阵列(BGAs)时，手工焊接是一个遥远的记忆。

图片礼貌Digi-key.。RCB上的DC/DC转换器是一个(令人惊讶的小)陆地栅极阵列包-我不认为我可以用我的烙铁到达那些内部终端。

一种替代方案是热风焊枪。这些对返工非常有效，但组装整个董事会有一个可能会严重令人厌倦。下一个选项是DIY回流;在某些情况下，这是一个很好的解决方案。您可以在此前发表的文章中找到丰富的其他信息，包括这一个那这一个,这一个。

但对于某些电路板，DIY回流焊仍然非常麻烦，如果不是完全不切实际的话。我甚至不会尝试在烤箱中焊接BGA或LGA，而细间距封装是一个问题，因为很难避免在紧密间隔的引脚之间焊接桥，特别是如果你手动应用锡膏(即没有模板)。

该清单随着镊子的速度达到微小的自由度，烤箱烤箱可能无法为大型PCB提供充分的加热，您可能需要额外的技术来成功回流两侧的组件。。。。底线是，有时最好的方法是雇用专家。

专业组装而不破坏银行

C-BISCUIT机器人控制板的制造和组装由MacroFab。MacroFab的工作人员为制造商、学生、发明家甚至是小型工程公司提供我认为的高质量但负担得起的制造服务。与大多数组装公司相比，他们专注于小批量订单，所以MacroFab是一个实用的选择，即使你只想要一个填充PCB。我还没有做过正式的比较，但大约一年前，我四处寻找小批量的组装方案，我的印象是(现在也是)很少有公司提供能与MacroFab相比的服务和价格。

我不会详细介绍MacroFab的订购系统和文件需求，但我只想说，您需要将一切安排得井井有条。你不可能拿着一个装满回收零件和手写BOM的硬纸盒走到前台。您需要PCB的制造文件(因为MacroFab处理电路板的制造和组装)、带有制造商零件号的实体BOM和XYRS放置数据。

但老实说，这是件好事。正式的制造程序并不是大型工程公司必须忍受的烦恼;相反，它们已经成为组织有序、成功的董事会设计不可或缺的方面。与MacroFab的在线订购系统合作——它是全面的，但仍然是直观的——将鼓励你使你的设计实践更有效和可靠。

一个非常干净的装配工作，我喜欢宏飞的标准红色和白色造型。When entering all the data for my order, I flagged the through-hole line items as “do not populate”—I can take care of those with my soldering iron, and I knew that some of the through-hole parts wouldn’t be necessary for the initial demo bot.

布局

这是RCB，因为它出现在我的布局软件(我使用DipTrace)。

这里我将提到几个突出的问题，然后我将更详细地讨论布局的几个部分。

注意基准，标记为FID1、FID2等。这些有助于装配过程。你可以阅读更多关于基准的内容在这里。
使用不同的显示颜色是一个好主意。这与电源和地面连接特别有用。在这里，我有一个棕色/橙色的地面，亮绿色+ 3.3V，绿色+ 12V更柔软的绿色，黄色+ 5V。所有其他网在顶层上显示为红色，底层上的亮蓝色。
这是一个典型的四层堆叠:顶部和底部用于组件和路由，一个平面层完全用于接地，一个平面层主要用于三个电源电压。
我不使用热释放(又名“热”或“辐条”)通过和通孔连接到平面层或铜倾泻。(请看下图中的例子。)
- 在您的布局软件中，可以默认启用热保护器。然而，在我看来，热气流通常是不受欢迎的。它们限制了热从孔洞向周围铜的流动。当你使用烙铁时，这是很方便的，但随着回流焊，整个板都被加热，所以热量是不必要的。此外，我们经常希望通过孔来传递热量远离组件，如with暴露垫（例如，DFN和QFN）包装在这些情况下，热力正在抵御您。
- 另一个缺点是，热气流可能导致笨拙的铜排列，例如，当几个过孔必须很近连接到同一平面层。当一个通孔连接到一个没有热量的平面层时，手工焊接绝不是不可能的，尽管它确实需要一些耐心。

这个通孔通过“辐条”连接到周围的铜，以减少热量。这有助于手工焊接，但一般情况下，如果使用回流焊组装电路板，则不需要(或不想要)散热片。

当前评级与热关断

如你所知，这个电路板包括两个MAX14870电机驱动芯片。这些设备额定2.5 A的峰值电机驱动电流。但这只是最大的额定电流;在你的特殊情况下，你能实际提供多少电机电流是一个更复杂的问题。

麻烦是，电流不存在隔离。如果电流流过阻力，您还具有电源耗散，如果您有功耗，则会有热量。如果芯片变得太热，它会关闭。

MAX14870采用了H桥FET的导通电阻形式的非增强电阻。因此，您不能简单地将MAX14870焊接到PCB，最新曲柄2.5 A，然后散步。如果您的PCB不鼓励热量远离IC并进入环境环境，则部分可能最终进入热关断 - 这可能在2.5 A时迅速发生，或者在较低电流下可能需要一两分钟或两个。

因此,精心的PCB布局是一个不可缺少的方面正确实现MAX14870和许多其他高功率器件。外部散热器通常不是方便的解决方案，所以我们使用通孔和大铜区域：

请注意，从MAX14870（U7）下方的铜倾不是电连接到U7倒。这是因为它属于另一个电机驱动器IC的暴露垫。这是一个相同的地面，所以我可以把它们连接在一起，但这种方式我可能能够收集一些关于铜的一些信息以及需要多少孔，以便在MAX14870中获得足够的性能。

封装的外露垫是为了散热而设计的，我们可以通过将外露垫连接到一个大的铜浇注器来充分利用这一特性，这有助于将热量从MAX14870转移到周围的空气中。所述铜浇也通过连接到接地面;它们将热量从芯片转移到接地面，再从接地面转移到PCB的其他部分和周围环境。

这种布局有点拥挤，所以我必须在用铜填充可用空间时创造性。但即使您没有大量的顶层铜额外的房间，您仍然可以在众多通孔中挤压以帮助将热量移动到地面平面或铜倒在板的底部。

铜，孔：良好的热流和电流

我也喜欢使用大量的铜，当我期望大或快速变化的电流。不要吝啬在这里-董事会的房子不会给你一个折扣，让更多的董事会的铜被蚀刻掉。宽的道，大的浇口和多个过孔都有助于降低电阻和电感。

电感是特别麻烦的，因为它的频率相关的行为;它会干扰快速爆发的电流(这是数字集成电路所需要的)和其他高频动作，从而导致难以诊断甚至识别的性能问题。

下面是我用于DC/DC变换器电路的布局。

注意大铜浇和大量孔洞用于地面和+12V连接。+5V连接也有大量的铜，但我没有在那里使用过孔，因为倒料下面的平面区域连接的是+12V，而不是+5V。

当你为高速数字集成电路设计解耦电容时，低电感(和电阻)是至关重要的。RCB没有任何真正的高频电路，但这不是放弃良好的布局实践的理由。下图显示了微控制器解耦帽的布局。

结论

现在你已经知道我是如何设计和制造C-BISCUIT机器人控制板的了——实际上，它不是我制造的，MacroFab所做的。在下一篇文章中，我们将讨论系统集成，即迫使各种组件真正合作，以便我们有一个功能演示机器人。

系列的下一篇文章:C-BISCUIT:系统集成与测试