体三维显示器-PCB部分-LED阵列

体三维显示器的PCB工程：
https://github.com/dtysky/Led_Array

体三维显示器为真三维显示的一种，即可以在真是的空间内显示一个三维的图像，图像占据一个真实的三维空间，不需要借助任何辅助视觉器件，我采用的方案是二维LED点阵的旋转，LED点阵为自行设计，这里记录了LED阵列的设计心得。

1.指标

既然要设计一个LED点阵，要考虑的无非就是颜色、大小、密度、亮度，以及无法避免的成本问题了。 对于这些指标，当然是越高越好，比如全彩、1080p、400ppi、高亮啥的，一开始我也是这么想的，但越往后设计越感受到自己的天真。

1.密度:
对于密度而言，通常的led封装到0402已经是封底了，而0402LED的大小能达到的最高密度也就是1/(0.4x0.2)=12.5ppi，而且这个理论密度是根本不可能达到，因为我们必须要为焊盘与布线预留间距（国内PCB打样厂的线宽线距一般要求不低于0.2mm），so...吹了

2.大小：
PCB的大小直接受到密度和成本的限制，对于PCB而言成本主要收到层数、大小和孔数的限制，再加上板子最后是要被电机带动旋转的，所以太大将会有风阻和力矩等问题。当然，最后选择的120x114（要知道这个分辨率的LED数量是1w+）实际上还是大了（以我当时的水准驾驭程度和成本的综合考虑而言是相当冒险的）。那么为什么我还要选择这么大的分辨率呢？当然是为了爱，因为当时实验所得这个分辨率下刚好可以显示一个萌妹子的轮廓www。

3.色彩：
颜色方面也是十分尴尬，能实现全彩自然是好的，但对于一个体三维显示器，彩色要考虑的事情非常多。
首先需要明白，RGB的LED的色彩是通过不同色彩通道的光混合而成，如果仅仅依靠“亮”与“不亮”来进行调色，三个通道最多出现8种颜色的光，更多的色彩是通过PWM来实现的，即调节一个大周期内每个通道的光的占空比，也就是调节每种颜色的光在一个发光周期中的能量（平均功率），这一点直接回影响控制器件的选择，因为如果想要实现全彩就必须在一个发光周期内至少进行256次PWM输出，加上LED扫描（后面会提到）的所占用的周期，这个要求的速度是比较高的，就算先不考虑控制部分，这一点也直接影响了LED的亮度，不停的变换会让LED的有效亮度减少，由于环境光的影响，LED的亮度将会随着扫描次数（包括色彩调节）大幅下降，由于分辨率已经定的比较大，导致扫描已经占用了不少周期，如果在这种情况下再加上色彩调节，不但会使亮度可能下降到一个不可见的等级，就算可见，色彩在此等亮度下可分辨的程度也是极低的，毫无意义。
当然我们说如果换一种扫描方式，加上优秀的供电（LED的接受电流极限一般是几ma到几十ma）和牛X的LED（最高亮度可达几千LM），全彩也不是不可能，但这时候就会遇到其他的问题了——钱，和PCB布局的难度。
对于一个全彩LED显示电路，6层的PCB是至少的（想要完全解决EMIEMC问题），而EMIEMC问题的解决是需要大量经验和理论的，本人无能，暂时无法解决。同时对于PCB工艺的要求也比较高，再者全彩SMD LED的价格比较高，PCB的价格又是随着层数成几何级上升的，对于一个新手而言失败概率极高，所以对于当时作为一个菜鸟的我，还是妥协了。
综合考虑，我选择了0603单色翠绿的LED，灰度暂时没有考虑。

4.亮度：
亮度虽然在上面说过了，不过还是有其他的部分没有提到。
亮度不仅仅要考虑LED本身，还要考虑供电部分，一开始是准备直接用控制芯片的IO脚来驱动LED，但很快就被否决了。由于显示条件的限制，我并不可能给每一个LED都加上单独的驱动源，所以肯定是以行扫描或者列扫描的方式来驱动，这也就是说每一行LED共阳，每一列LED共阴。
在这种情况下，驱动电流明显不够不说，每个引脚都以最大功率输出会使得芯片整体负载过高。
所以我只有进行迂回战术，选用中转的电源来驱动LED电路，这将会在下面说明。

2.设计

指标了解之后便可以开始电路设计。

1.LED：
LED是显示的核心，目标是亮度高、功耗低、便宜，最终我选择了国内某厂的LED，其最大电流是20mA，亮度也算可以。

2.驱动源：
由于不能够用控制芯片的IO脚驱动，但仍然要用其进行控制，所以我们需要考虑用间接的方法实现IO脚对LED的控制，这样我们就会自然地想到三极管，用PMOS作高端驱动控制阳极，NMOS做低端驱动控制阴极，MOS管的栅极链接到IO上，便可以实现IO对LED的间接控制，这样也解决了LED供电不足的问题。
当然,MOS管的选取需要考虑到LED的驱动电压和IO的输出电压，否则阈值范围不匹配就完蛋了www

3.电源：
电源部分的要求是稳定和足够的功率，在本例中可以预见到的最大瞬时电流输出为3.3V下的120x20=2.4A,我选择的是TI的某个电源模块，最大输出电流5A，宽电压输出，使用简单，十分满足需求。
这里提一下良心的TI，一百来块的东西就这么随便申请成功还包顺丰www

4.电路：
综合下来，LED、电源、MOS管全部选型完毕，接下来就是实际电路的设计了。
实际电路设计要考虑到的东西不少，但最主要的还是以下几点：

1. 器件间距： 每个器件的焊盘肯定是不能够直接在一起的，而且厂家也有最低间距限制，所以必须确定好器件间距。
2. 线宽线距： 和上面出于相似的考虑，而且走线相比器件而言，更多地不是工艺而是干扰等问题。
3. 电源网络线宽： 这个单独拿出来说是因为电源网络比较特殊，一般的走线不需要考虑电流大小的问题，而电源网络由于电流很大不得不考虑，网上有专门的计算器，可以用来估算一下，给电源网络一个比较宽的线宽。那么如果线宽受到板子的限制无法加宽怎么办？方法还是有的，也是我所采用的保险措施——将电源网络的铜皮裸漏出来，放在丝印层之上，这样可以手动给它加锡，从厚度上解决问题。
4. 孔径：过孔的直径，主要约束因素也是电流大小，同样可以通过计算器来计算，另外厂商也有一定的限制，比如内孔0.2mm，外孔0.3mm。

设计结束后便可以开始绘制电路板了。

3.生产

生产的第一步是电路板绘制，首先是原理图的设计，这点不在赘述，教程可以看本博客的PCB系列帖子，需要注意的是以下几点：

1.布局布线：
LED的数量达到五位数的级别，手动布局是完全不可取的做法，面对此等难题只能够借助于自动化的工具，好在Allegro支持脚本，所以我选择了用Python生成了.scr脚本，之后再运行脚本即可，脚本的内容如下：

add  connect;
pick  201.3  424.3;
pick  201.3  423.7;
done;
add  connect;
pick  203.3  424.3;
pick  203.3  423.7;
done;
add  connect;
pick  205.3  424.3;
pick  205.3  423.7;
done;
add  connect;
pick  207.3  424.3;
pick  207.3  423.7;
......

这样一来，五位数的约束性“半自动布局”便很快完成了（其实也用了一个来小时），接下来可以用同样的方式去布线，整体的板子很快就可以完成:


2.模块化：
分割越细查错越容易，这是不变的真理，面对如此庞大的一个设计，模块化是必须的。
我将LED阵列作为了一个模块，将所有控制引脚全部引出到排针，降低风险。

3.个性化：
好不容易做出了个大东西，而且是个人的作品，你是否想要加点个性标志呢？
对于我而言当然是想的，而且是非常想，所以我花了一些功夫研究如何在PCB上印图案，也获得了成功，具体的方法将会在PCB教程系列写到。

4.打样：
联系打样厂家，注册账号，上传完整的设计文件（包括各层的Gerber文件、钻孔文件），算清费用，之后等待几天便拿到了产品。我这个板子的打样费总共1K+

5.贴片：
这么多的SMD芯片不可能自己焊，我找了一家贴片厂去进行焊接。
由于只是个人的一个板子，一般的厂家是不给焊的，最后好不容易连蒙带骗游说了一家，为我进行了焊接。
当然最后板子来回几次后还是有问题，我也懒得继续纠缠了，再继续下去说不定有更多其他的岔子，所以我保守了一下。
板子贴片费2K6。

4.总结

板子总共花费约5K，整体良好，有些许行列的MOS管缺焊。
说实话，作为一个菜鸟的第一块板子，我感到十分庆幸。
板子如下：