МК + USB: топология

Плата 11.2 маленькая, но плотная, и в ней есть три места, где топология решает, заработает ли устройство: USB, кварц и развязка питания. Всё остальное — обычные цифровые сигналы на низкой частоте, им почти всё равно.

Шаг 1. Контур, гребёнки и правила

1. Контур 55×25 мм и Design›Board Shape›Define Board Shape from Selected Objects, как в уроке 11.1.2.
2. Гребёнки XP1 и XP2 первыми. Они задают геометрию всей платы. Ряды должны быть кратны шагу макетки (2,54 мм), а расстояние между ними — таким, чтобы плата вставлялась в макетную плату и оставляла свободные отверстия по бокам. Зафиксируй их (свойство Locked), чтобы случайно не сдвинуть.
3. Правила: зазор 0,15–0,2 мм; сигнальные дорожки 0,2–0,25 мм; +5V и GND от 0,4 мм; переходное отверстие 0,3/0,6 мм. Сверь с нормами производителя. Для TQFP-32 с шагом 0,8 мм зазор 0,15–0,2 мм между площадками обычно достижим, но проверь, что маска между выводами (solder mask dam) у производителя не шире, чем позволяет твой шаг.

Шаг 2. Размещение по узлам

Рис. 11.9. Эскиз размещения 55×25 мм. USB-C на короткой кромке, USBLC6 вплотную к нему, CH340C рядом, пара D+/D− короткая, идёт рядом и симметрично над сплошной землёй нижнего слоя. Кварц — в паре миллиметров от выводов 7 и 8, под ним никаких чужих дорожек. Конденсаторы развязки — у каждого вывода питания. Гребёнки — по длинным кромкам с шагом 2,54 мм, ISP — на дальнем конце.

Расставляй детали узлами, в порядке важности:

1. USB-C на короткой кромке, выступ по чертежу разъёма. Рядом — USBLC6-2SC6 вплотную к контактам разъёма: защита должна стоять ближе к источнику помехи, чем всё остальное.
2. CH340C рядом с защитой, так чтобы D+/D− от разъёма до микросхемы были короткими и прямыми.
3. ATmega328P в центре, повёрнутая так, чтобы выводы UART (30, 31) смотрели в сторону CH340C, а SPI (15–17) — в сторону ISP.
4. Кварц — в паре миллиметров от выводов 7 и 8, нагрузочные конденсаторы — между кварцем и микросхемой.
5. Конденсаторы развязки — у выводов 4, 6, 18 и вывода VCC CH340C, каждый со своим переходным отверстием на землю.
6. ISP и кнопка сброса — на дальнем от USB конце, светодиоды — там, где их видно.

💡Совет

Включи перекрёстное выделение схемы и платы: выделяешь узел на схеме — подсвечиваются его детали на плате. Так удобно «вытаскивать» детали одного узла из кучи после Update PCB Document.

Шаг 3. Земля на двухслойной плате

На двухслойной плате один слой целиком отдаётся под землю: нижний слой — сплошной полигон GND, сигналы по возможности идут сверху (урок 5.6). Если сигнал приходится увести вниз, делай это короткими «перемычками», а не длинными дорожками, которые режут землю пополам. Под парой D+/D− и под кварцем земля должна быть сплошной, без разрезов.

⚠️Внимание

Длинная дорожка на нижнем слое поперёк платы разрезает полигон земли. Обратный ток сигналов (урок 5.6) вынужден её обходить, петля растёт, а с ней наводки и излучение. Проверяй нижний слой отдельно (Shift+S — однослойный режим): полигон должен быть одним сплошным куском, без «островов».

Шаг 4. USB D+/D− — дифференциальная пара

USB 2.0 передаёт данные разностью напряжений на D+ и D−. Спецификация задаёт для пары дифференциальный импеданс 90 Ом ± 15 %. Наш CH340C работает в режиме Full Speed (12 Мбит/с). На такой скорости и длине дорожек около сантиметра точное согласование импеданса не критично. Важнее три правила:

1. Дорожки пары идут рядом с постоянным зазором, одинаковой ширины.
2. Одинаковая длина (разница — доли миллиметра) и симметричные повороты.
3. Под парой сплошная земля, без переходов на другой слой и без чужих дорожек между проводниками пары.

В Altium пара, объявленная на схеме (урок 11.2.2), приходит на плату готовой — проверь её в панели PCB, в режиме Differential Pairs Editor. Разводка: Route›Interactive Differential Pair Routing — ведёшь обе дорожки сразу (урок 9.5). Ширину и зазор пары задаёт правило дифференциальных пар. В нём можно указать и профиль импеданса из Layer Stack Manager (урок 9.2).

🛠Особенность Altium

Если ты захочешь честные 90 Ом, Layer Stack Manager посчитает ширину и зазор пары по стеку. На двухслойной плате толщиной 1,6 мм расстояние до опорной земли большое, и ширина для 90 Ом получается непрактично большой. Поэтому высокоскоростные USB-интерфейсы (480 Мбит/с и выше) обычно делают на четырёхслойных платах с тонким диэлектриком под верхним слоем. Для Full Speed это не нужно.

Шаг 5. Кварц

Рекомендации AVR042: кварц как можно ближе к микроконтроллеру, вокруг — земля. На практике:

• дорожки XTAL1 и XTAL2 — несколько миллиметров, без переходных отверстий;
• под кварцем и его дорожками не проводи другие сигналы ни сверху, ни снизу;
• земляные выводы C9 и C10 — коротко в общую землю рядом с выводом GND микросхемы;
• рядом с кварцем — никаких быстрых сигналов и силовых дорожек.

Шаг 6. Развязка и питание

Правило из урока 5.7: петля «вывод питания → конденсатор → вывод земли» должна быть минимальной. Конденсатор 100 нФ ставь между выводом питания и переходным отверстием на шину питания, а его земляной вывод — сразу переходным отверстием в полигон GND. Конденсатор 10 мкФ — на шине +5V, где удобно.

+5V от разъёма через предохранитель веди дорожкой от 0,4 мм. Потребление платы — десятки миллиампер, но запас не повредит: через гребёнку к +5V могут подключить внешнюю нагрузку.

Шаг 7. Шелкография и проверка

Плату будут вставлять в макетку и подключать проводами, поэтому подпиши каждый вывод гребёнок: D0…D13, A0…A7, 5V, GND, RST. Добавь название, версию и метку первого вывода на ISP. Затем:

1. Tools›Polygon Pours›Repour All;
2. DRC — Tools›Design Rule Check, ноль нарушений (урок 7.7);
3. 3D (3): разъём выступает за кромку как надо, кабель не упирается в соседние детали, кнопка доступна.

[СКРИНШОТ: разведённая плата UnoMini: USB-C, CH340C, ATmega328P, гребёнки по длинным сторонам]public/screenshots/m11/l07-mcu-layout.png

Чек-лист ревью топологии

• USBLC6 у самого разъёма, D+/D− — короткая симметричная пара над сплошной землёй.
• Кварц у выводов 7–8, под ним нет чужих дорожек.
• Каждый вывод питания имеет свой конденсатор 100 нФ на минимальном расстоянии.
• Полигон GND на нижнем слое сплошной, без островов.
• Гребёнки на шаге 2,54 мм и подписаны.
• Разъём USB-C стоит по чертежу относительно кромки, в 3D всё помещается.
• DRC — 0 нарушений.

🧯 Типичные ошибки

Компьютер то видит плату, то нет; ошибки при загрузке прошивки

Почему D+/D− разведены длинными разными путями, через переходы, с разрезанной землёй под ними.

Как исправить Короткая симметричная пара над сплошной землёй, без переходных отверстий и чужих сигналов между дорожками.

Микроконтроллер не стартует от кварца или сбоит

Почему Кварц далеко от выводов, под ним идут сигналы, конденсаторы заземлены длинной дорожкой.

Как исправить Кварц вплотную к выводам 7–8, вокруг — земля, без чужих дорожек под ним.

Плата не встаёт в макетку

Почему Гребёнки не на шаге 2,54 мм или ряды стоят на расстоянии, некратном шагу.

Как исправить Ставь гребёнки первыми, на сетке 2,54 мм (0,1 дюйма), и фиксируй их.

Проверь себя

1. 1. Какой дифференциальный импеданс задаёт спецификация USB 2.0 для D+/D−?

   50 Ом90 Ом120 Ом
2. 2. Что под кварцем на плате?

   Удобное место для дорожекСплошная земля, без чужих сигналовВырез в плате
3. 3. Почему нижний слой отдают под сплошную землю?

   Так дешевлеЧтобы обратные токи шли прямо под сигналами, петли были минимальными, а D+/D− и кварц имели опорный слойЭтого требует производитель
4. 4. Чем разводить USB-пару в Altium?

   Двумя отдельными дорожками Route » Interactive RoutingRoute » Interactive Differential Pair Routing — обе дорожки сразуАвтотрассировщиком без правил

🎯Практическое задание~180 мин

1. Разведи плату UnoMini по чек-листу.
2. Посчитай в Layer Stack Manager ширину и зазор для 90 Ом на своём двухслойном стеке и сравни с тем, что реально поместилось у разъёма. Запиши вывод.
3. Покажи нижний слой в однослойном режиме и сделай скриншот: полигон GND должен быть одним куском.