麵包板靈活加速產品開發(1)

作者: Bill Schweber
2023 年 10 月 17 日

供應商的電源轉換器(Adapter)和麵包板套件,協助開發人員完成接近最終產品的原型設計。此外,本文廠商提供的套件有助於簡化建構有用且可靠的麵包板,以便能夠用於驗證電路拓撲結構和介面,可按照需求連接到獨立模組和評估板,並實現有意義的原型。

對於電子工程師來說,從建立和評估電路設計到原型開發,麵包板(Breadboard)的製作是一個必須具備的基本功。本文分析了使用現代電子零組件製作麵包板的相關問題,並探討了如何採用一些典型供應商的電源轉換器(Adapter)和麵包板套件,來完成接近最終產品的原型設計。此外,本文還介紹了這些產品如何簡化建構有用且可靠的麵包板,以便能夠用於驗證電路拓撲結構和介面,可按照需求連接到獨立模組和評估板,並實現有意義的原型。

由於微型被動元件和主動元件的廣泛使用,以及電路工作頻率達到十億赫茲(GHz)範圍,從投入PCB之前建立和評估電路設計,再到接近最終的原型,這是個越來越難且常常令人沮喪的挑戰。麵包板套件和技術曾經適用於接線元件和雙列直插式封裝(DIP)晶片,但並不相容現在的高密度晶片封裝、封裝下的接線墊和幾乎看不見的表面黏著技術(SMT)元件,以及整個射頻模組或處理器模組。

然而好消息是,採用工作台的開發工具可用於建立基本的麵包板,同時可連接獨立的子電路模組。透過這些麵包板系統, 業餘愛好者、創客、自助設計(DIY)愛好者和工程專業人士可以建立、測試並整合整個產品的各個子部分,組成一個完整的功能單元。

電子麵包板來源

麵包板這個詞在電子學的初期,DIY實驗者和創客會自行組裝電晶體收音機,甚至是基本的真空管收音機,是在一個麵包板(用於切麵包的木板)上建構電路。他們用大頭針或釘子作為連接點,將電線纏繞其上,有時甚至將這些零組件與線路連接焊接起來(圖1)。

當然,這些木質麵包板作為使用現代零組件的電路平台已經過時了。儘管如此,麵包板和麵包板布局已成為與粗略建構顯示電路或子電路有關的標準術語。然而,從真空管到獨立接線電晶體和被動零組件、DIP IC,到現在幾乎看不見的表面黏著元件,電子技術的發展對麵包板布局技術和平台產生了重大影響。

麵包板/產品原型差異

一個明顯的問題是關於麵包板和原型的差別。其實兩者之間並沒有正式的分界線,而且這兩個詞有時可以互換。然而,大多數工程師使用麵包板來表示粗略布局的電路或子電路,這些電路需要支援初步設計階段,包括:

‧檢查基本電路概念、功能或設計方法的可行性。

‧開發和驗證軟體驅動程式。

‧確保子電路之間或電路與感測器或負載之間介面的相容性。

‧制定資料連結協議和格式。

‧開發和驗證推定的模型。

‧評估電路和功能效能。

從上述項目,不難看出麵包板在產品設計中所扮演的諸多重要角色。儘管麵包板並非完整的系統、缺少最終產品的封裝和許多功能。例如,麵包板通常依賴於外部電源,而非發貨產品的內部電源。由於其寬廣開放的布局,麵包板通常可用於探測、調整,甚至是更換零組件。然而,由於布局和零組件的寄生效應和相互作用,這種分散布局的實際意味著某些效能不可用,尤其是較高頻工作相關的效能。

相比之下,原型更接近最終產品,並使用相同的零組件、封裝、外形尺寸和輸入/輸出(I/O)。除了功能完整,原型通常用於檢查製造相關問題,如實際間隙和裝配問題、熱路徑、使用者體驗、視覺吸引力和外觀。

採用轉換器解決IC連接挑戰

如今的麵包板布局需要能連接並使用現代設計中常用的微型IC。例如,雖然能將六導線SOT-23 IC焊接到較大PCB上,但由於尺寸小、導線間距窄,因此與該元件的連接會很困難,尤其是改變連接的情況。當IC只有底部焊球墊時,情況就更具挑戰性。

一種解決方案是使用一些元件,產品如LCQT-SOT23-6插座轉換器。能將SOT-23轉換為六導DIP外殼。一旦SOT-23元件看上去像導線間距0.1英吋的DIP,即可用於專為較大DIP元件設計的麵包板布局解決方案之一。

許多設計採用一系列不同封裝尺寸和接腳配置的SMT零組件。對於這些情況,多個單IC插座轉換器可能會變得難以處理和連接。因此產品如202-0042- 01 QFN轉換器板可以大幅減少潛在的困難。這塊2×2英吋電路板最多可容納五種不同的IC,包括間距0.5mm的16和28接腳,間距0.65mm的20接腳,以及間距0.8mm的12和16接腳(用於QFN元件)。

有時,麵包板布局的挑戰並非在於連接IC,而是存取和監測纜線或周邊連接器的接腳。例如,當25接腳RS-232連接器還是主要通訊介面時,帶開關和跳線端子(用於大多數接腳)的分線盒就跟萬用電表一樣常見(圖2)。

圖2 對於之前廣泛使用的連接器和標準的25接腳纜線,RS-232分線盒是監測和重新配置電纜接線的必要元素 (圖片來源:維基百科)

雖然現在很少用到這些RS-232分線盒,但諸如Micro SD卡等周邊仍有類似的需求,需要具備分線功能。針對這種功能,採用產品如Adafruit Industries 254 Micro SD卡分線板作為轉換器時,設計人員可透過該板連接、測試和驗證這些廣泛使用的記憶卡的硬體介面連接和驅動軟體。

該電路板包括一個超低壓差穩壓器,可將3.3~6V之間的電壓轉換為Micro SD卡適用的3.3V,還有一個電平位移器,可將介面邏輯(3.3~5V)轉換為3.3V。因此該板可連接3.3V或5V微控制器。獨立的針座可焊接到轉換器,以連接間距0.1英吋的接腳。

 

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