Schemat PCB jest punktem wyjścia dla każdego projektu płytki drukowanej. To na nim porządkuje się funkcje układu, połączenia między komponentami, nazwy sieci i założenia, zanim projekt trafi do etapu rozmieszczenia elementów oraz prowadzenia ścieżek. Dobrze przygotowany schemat skraca pracę nad layoutem, ułatwia weryfikację DFM i zmniejsza ryzyko kosztownych poprawek. Poniżej wyjaśniamy, czym schemat różni się od projektu PCB i jak przygotować czytelną dokumentację.
Schematy PCB a projekty PCB
Schemat PCB to dwuwymiarowy zapis obwodu. Pokazuje komponenty, ich symbole, oznaczenia referencyjne oraz połączenia elektryczne między sieciami. Nie określa jednak fizycznego położenia elementów na płytce ani przebiegu ścieżek miedzianych.
Najważniejszym zadaniem schematu jest jednoznaczne opisanie logiki układu: co z czym jest połączone, które sygnały są wspólne, gdzie znajduje się zasilanie, masa, interfejsy komunikacyjne, zabezpieczenia i elementy pomocnicze.
Projekt PCB, czyli layout, jest kolejnym etapem. Określa rzeczywistą geometrię płytki: rozmieszczenie komponentów, obrys laminatu, otwory, footprinty, warstwy miedzi, przelotki, pola lutownicze i ścieżki. Dopiero taki zestaw danych można przekazać do produkcji płytek oraz montażu.
Schemat PCB i layout płytki pokazane obok siebie w oprogramowaniu projektowym DesignSpark.
W praktyce schemat odpowiada na pytanie, jak działa obwód, a layout odpowiada na pytanie, jak ten obwód zostanie fizycznie zbudowany. Po zakończeniu obu etapów komplet dokumentacji trafia do producenta PCB.
Wskazówki dotyczące rysowania schematu PCB
Poniższe zasady pomagają przygotować schemat, który da się szybko sprawdzić, poprawnie przenieść do layoutu i wykorzystać później w serwisie lub kolejnej rewizji produktu.
Wybór rozmiaru strony
Większość narzędzi EDA pozwala wybrać format arkusza schematu, najczęściej A4, A3 lub niestandardowy rozmiar projektu. Dla prostych obwodów wystarczy A4. Przy większych urządzeniach lepiej rozdzielić schemat na kilka arkuszy tematycznych niż upychać wszystkie bloki na jednej stronie.
Konwencja nazewnictwa stron
Bloki funkcjonalne warto rozdzielić na osobne strony i nazwać je w sposób, który od razu pokazuje kolejność czytania dokumentacji. Przykładowa struktura może wyglądać tak:
1_Schemat blokowy.
2_Zasilanie.
3_MCU_i_złącza.
4_Interfejs_pamięci.
5_Historia_zmian.
Zamiast cyfr można używać liter, ale najważniejsza jest konsekwencja. Dzięki niej projektant layoutu, recenzent i producent nie muszą zgadywać, gdzie szukać konkretnego modułu.
Ustawienie siatki
Siatka porządkuje rysunek i ułatwia poprawne łączenie symboli. Komponenty, przewody, etykiety sieci i złącza poza arkuszem powinny być osadzone na tej samej siatce, aby połączenia były czytelne i nie powstawały pozorne, trudne do wykrycia przerwy.
Komponenty elektroniczne.
Blok tytułu strony
Blok tytułowy, zwykle umieszczony w stopce arkusza, nie jest tylko formalnością. Warto wypełnić go konsekwentnie, bo ułatwia identyfikację rewizji i odpowiedzialności za dokument. Powinien zawierać między innymi:
Datę aktualizacji.
Rozmiar strony.
Numer dokumentu.
Rewizję.
Nazwę i funkcję układu.
Informacje firmowe lub zastrzeżenia projektowe.
Schemat ideowy w formacie A4. Zwróć uwagę na blok tytułowy umieszczony w dolnej części arkusza.
Notatki/komentarze
Notatki działają podobnie jak komentarze w kodzie: wyjaśniają decyzje projektowe, warunki montażu, warianty BOM, wymagania dotyczące impedancji, ograniczenia napięciowe albo szczególne zasady testowania. W prostych projektach można umieszczać je na tym samym arkuszu. W rozbudowanych układach lepiej przygotować osobną stronę z uwagami projektowymi.
Schemat z notatkami projektowymi w dolnej części arkusza.
Schemat PCB - historia rewizji
Historia rewizji zapisuje zmiany wprowadzane między kolejnymi wersjami projektu. Jest szczególnie ważna, gdy nad urządzeniem pracuje więcej niż jedna osoba albo gdy płytka wraca do produkcji po kilku miesiącach. Tabela rewizji powinna pokazywać:
Opis i datę wprowadzenia zmian.
Nazwisko autora i osoby sprawdzającej.
Komentarze z przeglądu projektu.
Taką historię najczęściej umieszcza się na pierwszej lub ostatniej stronie schematu.
Katalog dokumentacji schematycznej
W większych projektach przydaje się spis arkuszy. Pozwala szybko przejść do zasilania, mikrokontrolera, interfejsów, modułów radiowych, torów analogowych czy złączy. Przy bardzo prostym schemacie można go pominąć, ale w dokumentacji wielostronicowej oszczędza czas podczas recenzji i produkcji.
Schemat PCB - schemat blokowy
Schemat blokowy pokazuje przepływ sygnałów między głównymi modułami urządzenia. Nie zastępuje schematu elektrycznego, ale pozwala szybko zrozumieć architekturę produktu: skąd pochodzi zasilanie, które bloki komunikują się z mikrokontrolerem i gdzie znajdują się interfejsy zewnętrzne.
Schemat blokowy modułu Intel Edison.
Projektowanie schematów hierarchicznych
W złożonych projektach sam schemat blokowy zwykle nie wystarcza. Warto wtedy stosować schemat hierarchiczny, w którym główna strona prowadzi do arkuszy podrzędnych. Takie podejście porządkuje przepływ sygnałów, ogranicza liczbę krzyżujących się połączeń i ułatwia ponowne użycie gotowych bloków.
Schemat PCB - oznaczenia komponentów
Oznaczenia referencyjne identyfikują komponenty na schemacie i później w BOM oraz na silkscreenie. Warto używać standardowych prefiksów, takich jak R dla rezystorów, C dla kondensatorów, U dla układów scalonych, L dla cewek, D dla diod czy J dla złączy. Symbole i oznaczenia powinny być zapisane wielkimi literami i spójne w całym projekcie.
Konsekwentne oznaczenia ograniczają błędy przy montażu, inspekcji AOI, serwisie i komunikacji z producentem.
Tworzenie symboli
Schemat składa się z symboli elementów aktywnych, pasywnych, elektromechanicznych i złączy. Najlepiej korzystać ze sprawdzonych bibliotek, a każdy symbol porównać z kartą katalogową. Jeżeli odpowiedniego symbolu nie ma w bibliotece, można utworzyć własny, ale trzeba zweryfikować numery pinów, nazwy wyprowadzeń, typy pinów oraz powiązany footprint.
Typowe symbole stosowane na schematach obwodów elektronicznych.
Schemat PCB - połączenia sieciowe
Połączenia sieciowe muszą być jednoznaczne. Gdy przewody łączą się elektrycznie, punkt połączenia powinien być widoczny. Gdy przewody tylko się krzyżują, nie należy zostawiać sytuacji dwuznacznych, które mogą zostać źle odczytane przez człowieka albo narzędzie EDA.
Przykład schematu zasilacza mostkowego. Punkty połączeń powinny być zaznaczone czytelnie.
Przy układach scalonych, złączach i sygnałach powtarzających się na wielu arkuszach warto używać etykiet sieci, portów hierarchicznych oraz złączy poza stroną. Nazwy powinny być krótkie, opisowe i konsekwentne, na przykład 3V3, GND, I2C_SCL, I2C_SDA, USB_DP lub RESET_N.
Schemat PCB - rozmieszczenie komponentów na arkuszu
Rozmieszczenie symboli na schemacie nie musi odpowiadać położeniu elementów na PCB, ale powinno prowadzić czytelnika przez funkcję układu. Zasilanie zwykle rysuje się od lewej do prawej lub od góry do dołu, wejścia po lewej, wyjścia po prawej, a elementy pomocnicze możliwie blisko układów, których dotyczą.
Połączenia rezonatora kwarcowego
Rezonator kwarcowy i jego kondensatory obciążające powinny być pokazane przy układzie scalonym, z którym współpracują. W layoucie te elementy muszą znajdować się bardzo blisko pinów oscylatora, ponieważ ścieżki w tym obszarze są wrażliwe na pojemności pasożytnicze, zakłócenia i błędy prowadzenia masy.
Schemat PCB - kontrola DRC
Narzędzia EDA oferują kontrolę reguł projektowych i elektrycznych, często określaną jako DRC lub ERC zależnie od programu. Taka kontrola wykrywa między innymi niepodłączone piny, konflikty typów pinów, brakujące zasilania, zdublowane oznaczenia referencyjne i niespójne nazwy sieci. Warto uruchamiać ją nie tylko na końcu, ale także w trakcie pracy.
Weryfikacja listy sieci
Lista sieci, czyli netlista, opisuje połączenia między pinami komponentów. W zależności od narzędzia może być zapisana w formacie tekstowym lub w formacie przeznaczonym do bezpośredniego importu do programu PCB.
Przed przejściem do layoutu trzeba sprawdzić, czy netlista zawiera oczekiwane połączenia, nie tworzy przypadkowych zwarć i nie pomija sygnałów krytycznych. Szczególną uwagę warto poświęcić zasilaniu, masie, magistralom komunikacyjnym i pinom układów scalonych o wielu funkcjach.
Schemat PCB - czyszczenie BOM
Oprogramowanie CAD potrafi wygenerować BOM, ale jakość listy materiałowej zależy od danych wpisanych do symboli i bibliotek. Jeśli w projekcie brakuje numerów części, obudów albo producentów, automatycznie wygenerowany BOM będzie niepełny i utrudni wycenę montażu.
Przykład pozycji na liście materiałowej.
W danych BOM powinny znaleźć się co najmniej oznaczenia referencyjne, ilości oraz podstawowe informacje zakupowe:
Numer części producenta.
Numer części dostawcy.
Nazwa producenta lub dostawcy.
Nazwa obudowy albo footprintu.
Dobra praktyka jest prosta: wszystkie informacje potrzebne do zakupu, montażu i kontroli komponentu warto wpisać już przy tworzeniu symbolu lub importowaniu części do biblioteki.
Schemat PCB - przekształcenie schematu w układ PCB
Po sprawdzeniu schematu projektant przenosi dane do edytora PCB. Program tworzy footprinty komponentów oraz ratlines, czyli pomocnicze linie pokazujące połączenia elektryczne, które później trzeba zamienić w realne ścieżki miedziane.
Po imporcie projektu zwykle widać widok roboczy z następującymi elementami:
Obrys płytki pokazujący jej planowane wymiary.
Komponenty znajdujące się jeszcze poza obrysem płytki.
Linie ratline łączące piny zgodnie z netlistą.
Jak przekonwertować PCB na schemat?
Odwrotny proces, czyli odtworzenie schematu z gotowej płytki, jest możliwy, ale znacznie mniej pewny niż przejście od schematu do layoutu. Najczęściej stosuje się go przy analizie starszych urządzeń, naprawach, migracji dokumentacji albo odtwarzaniu projektu, do którego nie zachowały się pliki źródłowe.
Schemat PCB - jak rysować schematy obwodów według rzeczywistych produktów?
Przy odtwarzaniu schematu z fizycznej płytki trzeba najpierw zidentyfikować komponenty, spisać oznaczenia, odczytać wartości elementów, prześledzić połączenia między padami i porównać je z kartami katalogowymi układów scalonych. Pomagają zdjęcia obu stron PCB, pomiary multimetrem, dokumentacja serwisowa oraz analiza warstw, jeśli płytka jest wielowarstwowa.
Sam proces nie jest skomplikowany koncepcyjnie, ale wymaga cierpliwości i doświadczenia. Najłatwiej o pomyłkę przy małych elementach SMD, przelotkach ukrytych pod obudowami oraz sygnałach prowadzonych na warstwach wewnętrznych.
Płytka drukowana.
Schemat PCB - konwersja z Protel PCB do schematu
W starszych projektach można spotkać pliki przygotowane w Protel lub w narzędziach z nim powiązanych. Próba odtworzenia schematu z takiego layoutu zwykle polega na eksporcie dostępnych danych, imporcie ich do zgodnego narzędzia i ręcznym uporządkowaniu wyniku.
Uruchom oprogramowanie E-Studio i otwórz plik EDIF utworzony w kroku 2.
Złożony schemat po imporcie danych.
Trzeba jednak pamiętać, że taka konwersja jest użyteczna głównie dla prostych płytek z niewielką liczbą komponentów. Automatycznie odtworzony schemat zwykle nie ma czytelnej hierarchii, może pomijać piny niepodłączone i nie zachowuje pełnych informacji o footprintach. Wynik trzeba więc traktować jako punkt startowy do ręcznej dokumentacji, a nie gotowy projekt produkcyjny.
Konwersja schematu Eagle do formatu PCB Altium Designer
W projektach open-source, na przykład modułach zgodnych z Arduino, często dostępne są pliki Eagle. Jeśli dalsze prace mają być prowadzone w Altium Designer, należy użyć importera obsługującego format Eagle i po konwersji dokładnie sprawdzić biblioteki, footprinty, reguły projektowe oraz mapowanie warstw.
Schemat projektowy mikrokontrolera z rodziny Arduino.
W praktyce po imporcie trzeba przejrzeć projekt tak samo uważnie jak nowy schemat: zweryfikować symbole, przypisane footprinty, nazwy sieci, reguły projektowe oraz kompletność BOM.
Schemat ideowy pamięci o wysokiej przepustowości.
Schemat PCB - lista kontrolna schematu
Lista kontrolna pozwala wychwycić błędy, zanim projekt przejdzie do layoutu lub trafi do produkcji. Powinna obejmować co najmniej następujące punkty:
Sprawdzenie numeracji pinów i etykiet każdego komponentu względem karty katalogowej.
Sprawdzenie polaryzacji wszystkich elementów spolaryzowanych.
Sprawdzenie, czy piny i etykiety nie nachodzą na siebie.
Porównanie wyprowadzeń tranzystorów z symbolem, footprintem i kartą katalogową.
Sprawdzenie lokalizacji, oznaczeń referencyjnych i wartości elementów.
Sprawdzenie opisów symboli na schemacie, w tym numerów części producenta i dostawcy.
Widok schematu w programie Fritzing.
Sprawdzenie złączy poza arkuszem.
Sprawdzenie powiązań między arkuszami hierarchicznymi.
Sprawdzenie kondensatorów odsprzęgających przy układach scalonych oraz sposobu prowadzenia masy dla sygnałów cyfrowych, analogowych i mocy.
Sprawdzenie ilości komponentów i numerów części w BOM.
Podsumowanie
Schemat PCB i projekt PCB to dwa różne etapy tej samej pracy. Schemat opisuje działanie obwodu i połączenia elektryczne, a layout przekłada je na fizyczną płytkę gotową do wykonania. Im czytelniejszy schemat, tym łatwiej przygotować poprawny layout, zweryfikować BOM, uniknąć błędów montażowych i skrócić przejście od prototypu do produkcji. Jeśli masz gotowy schemat lub kompletny projekt płytki, OurPCB może pomóc w produkcji PCB, montażu komponentów i przeglądzie dokumentacji.