Como criar um desenho esquemático de alta velocidade no KiCad

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Como criar um desenho esquemático de alta velocidade no KiCad 1Como criar um desenho esquemático de alta velocidade no KiCad

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Neste tutorial, abordaremos o design esquemático no KiCad. Também discutiremos o projeto de PCB de alta velocidade com a identificação de pares diferenciais e a marcação de traços de alta corrente.

Como criar um desenho esquemático no KiCad

Demonstraremos como criar um design esquemático simples no KiCad e falaremos sobre os fatores que precisamos considerar ao fazer um design esquemático para um design de alta velocidade. Vamos começar com a parte esquemática.

Primeiro, você precisa criar um novo projeto. Vá para Arquivo no lado esquerdo, clique em Novo e Projeto. Escolha o local em que deseja salvar este novo projeto e nomeie-o. Nesta demonstração, o chamaremos de projeto LED. Clique em Save.

Como você pode ver, os dois arquivos são criados aqui. Há o arquivo de layout e o arquivo esquemático. Vamos abrir o arquivo esquemático primeiro.

Como colocar componentes em um esquema

Para esta demonstração, estamos considerando um design esquemático simples para uma bateria, um regulador e um LED. Este esquema será usado para acender um simples LED.

Clique neste símbolo no lado esquerdo e uma janela será exibida. Procure uma bateria entre os componentes. Vamos selecionar uma bateria de célula única, como você pode ver aqui. Basta clicar na tela para colocar a bateria no esquema.

Vamos repetir a mesma ação para encontrar um resistor. Selecione o que você deseja e coloque-o no seu esquema.

Vamos agora escolher um LED e dois capacitores e reguladores.

Você pode ver aqui um capacitor não polarizado, que é basicamente um capacitor de cerâmica, e um capacitor polarizado, que é para eletrólito. Vamos pegar o não polarizado por enquanto.

Como criar uma nova biblioteca

Agora exigimos um regulador, que criaremos. Isto é muito simples. Clique em Criar, excluir e editar símbolos na parte superior. Uma janela se abrirá. No lado superior esquerdo, clique em Arquivo e selecione Nova Biblioteca. Neste exemplo, iremos chamá-lo de Projeto LED e salvá-lo na tabela da biblioteca Projeto.

Assista ao nosso tutorial sobre como criar uma biblioteca de símbolos no KiCad.

Agora vá para Arquivo novamente, selecione Novo símbolo e procure a biblioteca que você acabou de criar. Nomeie o novo símbolo, como, neste caso, LM7805, que é um regulador de cinco volts.

Você precisa criar um símbolo para cada componente. Cada componente possui sua própria folha de dados e seu próprio número de peça de série.

Você precisa encontrar a folha de dados para o número da peça. Você pode ver nesta tela, esta é a folha de dados do LM7805. Você precisa ver as configurações de pinos entre esta folha de dados, registrada pelo fabricante.

Nesse caso, existem quatro pacotes diferentes. Esses pacotes dependem do número de peça do fabricante ou MPN. então você terá que decodificar o MPN, que fornecerá o pacote correto. Por enquanto, precisaremos desses três pinos: entrada, terra e saída.

Você pode ver que existem mais conectores, como Tab. Todos eles estão firmes.

Como adicionar pinos a símbolos

Nesse caso, você precisará criar mais um pino para ter um par adicional no quadro. O terra terá dois pinos, que são os pinos 2 e 4. O pino 1 será inserido e o pino 3 será produzido.

Adicionar pinos ao projeto esquemático de símbolos no KiCad

Vamos começar e mover os componentes para o lado. Usaremos a opção Adicionar retângulo gráfico ao corpo do símbolo, no lado direito. Mas antes disso, clique com o botão direito do mouse e selecione Finalizar ferramenta. Você deve selecionar a grade primeiro, clique com o botão direito novamente na tela e verifique se a grade está definida para 50 mils. Agora, você pode clicar nesta caixa e desenhar. Clique com o botão direito e selecione Finalizar ferramenta. Clique com o botão direito do mouse na borda do retângulo, selecione Editar opções de retângulo, Preencher com cor de fundo do corpo e clique em OK.

No lado direito, clique no símbolo A1, Adicionar pinos ao símbolo e arraste-o para a tela. Aqui, o nome do pino será inserido e o número do pino um. Coloque isso aqui.

O próximo pino é o número de saída e o pino número três. Clique com o botão direito e selecione Girar no sentido horário. Mais uma vez, gire no sentido horário. Então, você precisa de mais dois pinos que serão retificados. O primeiro será o Pino 2 Novamente, clique com o botão direito do mouse e selecione Girar no sentido horário. Você também pode girar pressionando R no teclado. E repita a mesma ação para o pino 4.

Isso está completo. O pino 1 é de entrada, o pino 3 é de saída, os pinos 2 e 4 são aterrados. Vamos salvar isso clicando em Salvar todas as alterações no lado esquerdo. Depois que isso é salvo, você pode importá-lo no seu arquivo de design esquemático. Vá para o arquivo esquemático principal e, no lado direito, selecione Inserir símbolo. Uma janela será exibida onde você poderá encontrar o projeto de LED.

Você pode ver o LM7805, o símbolo que criamos. Selecione-o, clique em Ok e coloque-o no seu esquema. Agora você tem todos os símbolos necessários para prosseguir. Você pode colocar esses componentes corretamente e fazer as conexões. Vamos ampliar um pouco.

Como conectar símbolos no KiCad

No lado direito, selecione Colocar fio.

Agora, aqui, clique neste símbolo e, em seguida, clique no outro lado. É assim que você pode formar as linhas para conectar seus símbolos.

Conectar símbolos no KiCad

Quando terminar, clique com o botão direito do mouse e escolha Finalizar ferramenta. Você pode ver este pequeno quadrado aqui na linha, significa que a linha não está conectada. Então selecione esta linha e exclua-a. Mais uma vez, selecione Colocar fio e faça a conexão. Repita onde quer que seja necessário.

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Agora você precisa colocar o terminal de terra. Clique na opção Ground no lado direito e clique na tela. A janela Escolher símbolo de energia será exibida. Procure por GND, selecione o símbolo e coloque-o no esquema. Selecione Colocar fio novamente e conecte o negativo ao terra. Clique com o botão direito e selecione Finalizar ferramenta.

Como anotar símbolos

As conexões são feitas para a parte deste projeto esquemático no KiCad. Não se esqueça de salvar o arquivo. Como você pode notar, existe um ponto de interrogação ao lado do símbolo U. Isso significa que você deve anotar este símbolo. No topo, existe uma opção chamada Anotar símbolos esquemáticos. Selecione-o e escolha Usar todo o esquema e Manter anotações existentes. Em seguida, selecione Anotar.

Agora você pode ver que o ponto de interrogação se transformou em um número. A ferramenta fornece automaticamente números para todos os componentes. Mais uma vez, não esqueça de salvar.

O design esquemático está completo, mas você precisa atribuir pegadas. Mostramos como fazer em outro vídeo, pois você pode precisar criar uma nova pegada. As informações de pegada serão fornecidas na folha de dados.

Como gerar uma lista técnica no KiCad

É assim que você pode criar um esquema simples. Também é necessário gerar uma lista técnica, ou lista de materiais, que informa quais componentes estão no seu esquema, bem como os tipos semelhantes de componentes que você possui e uma lista completa. No topo, há uma opção chamada BOM. Clique nele e esta janela será exibida. Selecione bom_html_grouped_by_value.

Na seção Linha de comando, você pode ver .xls. Verifique se você possui esses .xls extras antes de selecionar Gerar. Isso irá gerar um arquivo na pasta do seu projeto.

Você pode ver aqui, você tem a referência, a quantidade, o valor e a peça. Esta é sua lista completa, os dados completos de seu design esquemático que indicam quais componentes você solicitará.

Verificador de lista de materiais por Sierra Circuits

Como criar um desenho esquemático de alta velocidade no KiCad

Agora, mostraremos os fatores básicos que você precisa considerar ao projetar qualquer esquema. Vamos fechar esse esquema e abrir um dos esquemas que criamos anteriormente.

Esse é o design esquemático de um microcontrolador que faz interface com um chip FTDI e um USB. O USB é basicamente um sinal de alta velocidade, portanto normalmente opera de 12 Megahertz a 14 Mbps. Para esses casos, você precisa ter cuidado ao projetar o layout.

Como você pode ver, existem certas linhas de força aqui e aqui. Essas linhas podem transportar energia de até 1,5 amperes. Você precisa projetar as especificações para atender a esse requisito de 1,5 amperes. Você também pode ver que esse firewall está chegando aqui, para que você possa marcar essa parte específica como uma linha de energia, mas não essa parte, que também está conectando a mesma linha.

Aqui, a voltagem é de 5 volts, portanto a corrente será de 5 miliamperes. Não tem muita importância. Pode ser um traço simples de 10 mils ou 8 mils

Este conector está marcado como pino de alimentação, porque 5 volts vão diretamente para ele e não sabemos onde isso será conectado. Depende da pessoa que estará usando isso. Ao marcar o pino como pino de alimentação, indicamos que o traço precisa ser suficiente para transportar 1,5 ampères de corrente.

Melhor DFM da Sierra Circuits

Impedância e pares diferenciais no KiCad

Vamos para outra planilha.

Esta folha possui o chip FTDI que converte o sinal serial de entrada em um sinal diferencial USB. O outro retângulo amarelo é o conector USB. Aqui, estamos usando um USB 2.0 que pode operar de 12 megahertz a cerca de 240 megahertz. Você também pode usar um USB 3.0 que pode operar até 5 gigahertz.

Correspondência de impedância no projeto esquemático no KiCad

Normalmente, usamos pares diferenciais. Os pares diferenciais nada mais são do que duas linhas que transportam os mesmos dados de forma invertida em relação um ao outro em um determinado ponto do tempo. Você pode ver que temos DIFF_DN_90R e DIFF_DP_90R. Estes são os dois pinos que trazem dados para o seu IC a partir deste conector. Esta é uma linha negativa e esta é positiva.

Para o USB, você precisa de uma impedância controlada. Basicamente, a impedância varia em velocidades muito altas, como em megahertz, então você precisa cuidar de certos fatores, como a correspondência de impedâncias.

Por exemplo, este IC aqui tem impedância de entrada nesses pinos de 90 ohms, conforme definido pelo padrão USB. As faixas diferenciais devem corresponder a essa impedância. Para fazer isso, há certas regras que você precisa seguir, como a largura e a espessura da pista.

Também há diafonia, que nada mais é do que interferência em uma linha devido a outro traço próximo. Você precisa manter uma distância específica entre essas duas faixas. A largura de cada trilha deve ser de acordo com os requisitos. A largura e o espaçamento do traço para uma determinada impedância podem ser obtidos usando calculadoras de impedância.

Calculadora de impedância da Sierra Circuits

A correspondência de comprimento desses pares diferenciais é importante porque essas duas linhas dependem do tempo ou do atraso. Um sinal vem de um conector em um determinado momento e atinge seu destino em um determinado momento. Os sinais de ambas as faixas devem chegar ao mesmo tempo. Se os comprimentos forem diferentes, e como os dois sinais nos dois pares diferenciais operam na mesma velocidade, isso pode gerar um sinal falso na saída.

Esta é a linha de força que opera a 500 miliamperes. 500 miliamperes é considerado alto para um USB. Normalmente colocamos menos energia, menos corrente. E é assim que você inicia seu projeto esquemático de alta velocidade no KiCad.

Faça o download do nosso manual do DFM:

Manual do DFM

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