KiCad: бесплатная САПР для схем и печатных плат

Установка и требования

Установщики берут со страницы kicad.org/download. Каждая основная версия хранит свои настройки отдельно, поэтому KiCad 9 и KiCad 10 можно держать на одном компьютере.

Требования к компьютеру на странице System Requirements: 64-разрядный процессор, 1 ГБ ОЗУ (рекомендуется больше 2 ГБ), до 10 ГБ на диске, видеокарта с OpenGL 2.1 и аппаратными шейдерами, экран от 1280×1024 (лучше 1920×1080). Под Wayland в Linux KiCad официально не поддерживается.

Тестовые сборки (testing) и ночные сборки (nightly) лежат там же. Ночные сборки содержат новые функции, но, как предупреждают разработчики, могут портить файлы и выдавать неверные Gerber-файлы, поэтому для рабочих проектов берут только стабильную версию.

Первый запуск

При первом запуске новой основной версии открывается окно Welcome. На странице библиотек при чистой установке выбирают Start with the built-in KiCad libraries — KiCad заполнит таблицы библиотек всем, что идёт в комплекте. При переходе со старой версии выбирают Import tables from the previous version и рекомендованный вариант Migrate built-in libraries to the latest version: ссылки на старые встроенные библиотеки заменятся ссылками на новые. На последней странице включают проверку обновлений программы и пакетов из Plugin and Content Manager.

Файлы, сохранённые новой версией, старые версии обычно открыть не могут, а вот проекты прошлых версий KiCad 10 открывает и при сохранении переводит в новый формат. Пока вы пробуете новую версию, держите резервную копию проекта.

Файлы проекта

Новый проект создаётся командой File → New Project в окне Project Manager; галочка «Create a new folder for the project» кладёт все файлы в отдельную папку с именем проекта.

Символьные библиотеки хранятся в файлах .kicad_sym, библиотека посадочных мест — это папка .pretty с файлами .kicad_mod, по одному на посадочное место. Схема и плата содержат копии всех использованных символов и посадочных мест, поэтому открываются и без исходных библиотек. Но если открыть плату вне её проекта, часть информации (те же правила) пропадёт — поэтому файлы проекта держат вместе.

KiCad умеет делать резервные копии при каждом сохранении и после нескольких секунд бездействия при несохранённых изменениях (Preferences → Common → Project Backup). Инкрементные копии хранятся в скрытом Git-репозитории в папке .history и восстанавливаются из панели Local History; если проект уже в Git, эту папку стоит добавить в .gitignore.

Порядок работы

Руководство Getting Started описывает обычную последовательность так:

1. Нарисовать схему: расставить символы и соединить выводы.
2. Назначить каждому символу посадочное место (footprint) — набор площадок под реальный корпус.
3. Проверить схему электрическими правилами (ERC).
4. Перенести схему на плату: Tools → Update PCB from Schematic (F8).
5. Задать стек слоёв и правила, нарисовать контур, расставить компоненты, развести дорожки, залить полигоны.
6. Проверить плату правилами (DRC).
7. Выгрузить файлы для производства.

Обновление платы из схемы в KiCad всегда ручное: после каждой правки схемы снова выполняют Update PCB from Schematic. Обратное направление — Update Schematic from PCB — переносит в схему изменения, сделанные на плате.

Схема: символы и посадочные места

Символ добавляют кнопкой Add Symbols или клавишей A. Пассивные компоненты, диоды и общие символы — в библиотеке Device: резистор R нарисован прямоугольником по IEC, для зигзага по ANSI есть R_US. Позиционные обозначения (R1, D1) по умолчанию присваиваются автоматически при размещении — это называется аннотацией. Значение компонента правят в свойствах (клавиша E); в реальном проекте туда удобно писать номер детали производителя.

Посадочное место определяет, как компонент крепится к плате. У части символов оно задано заранее, но у большинства вариантов несколько, и выбор за разработчиком. Удобнее всего — инструмент назначения посадочных мест (Assign Footprints) на верхней панели: слева библиотеки, в центре символы схемы, справа подходящие посадочные места. Фильтры помогают сократить список:

• по фильтрам, заданным в символе (например, у ОУ только SOIC и DIP);
• по числу выводов — почти всегда полезен;
• по выбранной библиотеке;
• по тексту в строке поиска.

Посадочное место можно назначить и в свойствах символа, и при размещении символа.

ERC: проверка схемы

Проверка электрических правил (кнопка ERC) не докажет, что схема работает, но найдёт неподключённые выводы, замкнутые между собой выходы питания, непитаемые входы питания, символы без обозначений и опечатки в метках цепей. Список правил и их важность настраивают в File → Schematic Setup → Electrical Rules → Violation Severity.

Самое частое сообщение у новичков — «Input Power pin not driven by any Output Power pins» на цепях VCC и GND. Символы питания ждут на цепи вывод типа «выход питания» (например, выход стабилизатора). Если цепь питается от батареи или разъёма, KiCad этого не видит. Решение — символ PWR_FLAG из библиотеки power на каждой такой цепи. Отдельные нарушения можно исключить правой кнопкой мыши, но руководство советует добиваться чистого отчёта, чтобы не пропустить настоящие ошибки.

Библиотеки и их лицензия

Символы и посадочные места подключаются через таблицы библиотек. Глобальная таблица sym-lib-table (и fp-lib-table для посадочных мест) лежит в папке настроек KiCad и действует во всех проектах; таблица проекта лежит в его папке. Библиотека, которой нет ни в одной таблице, не загружается. Таблицы редактируют в Preferences → Manage Symbol Libraries и Manage Footprint Libraries. Пути к встроенным библиотекам задаются переменными вроде ${KICAD10_FOOTPRINT_DIR}; старые переменные ${KICAD9_…} KiCad 10 автоматически переводит в новые.

KiCad читает не только свои библиотеки: символьные библиотеки Altium (.SchLib, .IntLib), Eagle, CADSTAR, старые .lib и базы данных компонентов через файлы .kicad_dbl.

Начиная с версии 10 3D-модели в официальной библиотеке поставляются только в формате STEP. По данным анонса версии 10, более 78 % посадочных мест библиотеки теперь генерируются из данных, а не рисуются вручную.

Лицензия библиотек — Creative Commons CC BY-SA 4.0 с исключением. Если плату, сделанную с использованием библиотечных данных, можно считать производным материалом, правообладатель отказывается от статьи 3 лицензии (указание авторства и условие «на тех же условиях») для таких плат и созданных из них файлов. На практике:

Библиотеки предоставляются без гарантий: перед заказом сверяйте посадочное место с чертежом из даташита.

Плата: стек слоёв и правила

На плате сначала открывают File → Board Setup. Самое важное там — стек слоёв (Board Stackup → Physical Stackup: число слоёв меди и толщины диэлектриков) и правила (Design Rules). Как выбрать число слоёв и их порядок, разобрано в статье о слоях печатной платы.

• Constraints — минимальные значения для всей платы: зазор, ширина дорожки, отверстия, пояски. Их берут из норм производителя (технологические нормы печатных плат). Минимум отсюда абсолютный: более узкое правило ниже него не опустится. Если в одном месте нужен зазор 0,2 мм, а на остальной плате 0,3 мм, в Constraints ставят 0,2 мм, а 0,3 мм задают классом цепей или пользовательским правилом.
• Net Classes — классы цепей с собственной шириной дорожек и зазорами, например «силовые» с широкими дорожками или «50 Ом» для дорожек с контролируемым импедансом. Новые цепи попадают в класс Default, у которого ширина дорожки по умолчанию 0,2 мм. Ширину силовых дорожек по току можно оценить калькулятором ширины дорожки.
• Pre-defined Sizes — набор ширин дорожек и размеров переходных отверстий, между которыми переключаются во время трассировки.

Для частных случаев есть пользовательские правила на языке s-выражений, они хранятся в файле .kicad_dru и редактируются только в Board Setup → Custom Rules (внешним редактором файл править не рекомендуется). В KiCad 10 появился и графический редактор правил, совместимый с этим языком. Пример из руководства — зазор для цепей класса HV:

(version 1)

# Clearance for 400V nets to anything else
(rule HV
    (condition "A.hasNetclass('HV')")
    (constraint clearance (min 1.5mm)))

Заголовок (version 1) обязателен для KiCad 10.0. Правила проверяются с конца файла: найдя первое подходящее, KiCad дальше не ищет, поэтому более частные правила пишут ниже общих. Ошибка синтаксиса в файле не даст запустить DRC — после правки нажимают Check rule syntax.

Разводка: от схемы к готовой меди

1. Update PCB from Schematic (F8) — посадочные места появятся рядом с платой, связи между ними показаны тонкими линиями (ratsnest).
2. Контур платы рисуют на слое Edge.Cuts прямоугольником, линиями, дугами или многоугольником. Требование одно: контур должен быть замкнутым и не пересекать сам себя. Удобно рисовать на крупной сетке 1 мм.
3. Размещение: разъёмы, кнопки и индикаторы ставят туда, где они нужны механически; блокировочные конденсаторы — у выводов питания микросхем (см. разводку питания и блокировочных конденсаторов); зоны courtyard соседних компонентов не должны пересекаться. Клавиши: M — переместить, R — повернуть, F — перевернуть на другую сторону. Все слои показаны со стороны верха, поэтому компоненты снизу выглядят зеркально.
4. Трассировка: X — начать дорожку, V во время трассировки — поставить переходное отверстие и перейти на другой слой (подробнее — в статье о переходных отверстиях). Счётчик неразведённых связей в строке состояния должен дойти до нуля.
5. Полигоны (зоны меди) обычно делают для земли и питания. Зона не заливается при рисовании и при перемещении компонентов: заливают командой Edit → Fill All Zones (B) или запуском DRC. Тонкие перемычки к площадкам — термобарьеры, они облегчают пайку.

DRC: проверка платы

Design Rules Checker (Inspect → Design Rules Checker) сверяет плату с правилами Board Setup и со схемой: ищет недостаточные зазоры, короткие замыкания, неподключённые дорожки и расхождения между схемой и платой. Часть нарушений KiCad предотвращает прямо при трассировке, но не все, поэтому DRC запускают перед каждым выпуском файлов.

Две галочки в окне DRC важны всегда: Refill all zones before performing DRC (иначе проверка идёт по устаревшей заливке) и Test for parity between PCB and schematic (сверка платы со схемой). Результаты разложены по вкладкам: нарушения правил, неподключённые элементы, расхождения со схемой, исключённые проверки. Отчёт сохраняется в текстовый файл кнопкой Save.

3D-просмотр

View → 3D Viewer показывает плату с компонентами: средняя кнопка мыши перемещает, левая вращает. Режим трассировки лучей (Preferences → Raytracing) медленнее, но точнее. Многие посадочные места библиотеки KiCad уже связаны с 3D-моделями; для остальных модель добавляют сами. Плату целиком можно выгрузить в STEP и другие 3D-форматы для механической САПР.

Файлы для производства

Gerber

Gerber — основной формат KiCad для производства плат. Окно открывается через File → Fabrication Outputs → Gerbers (.gbr) или File → Plot. Укажите отдельную папку и проверьте, что отмечены слои:

Полезные настройки в том же окне:

• Check zone fills before plotting — перезалить устаревшие полигоны перед выводом; с выключенной галочкой файлы могут оказаться неверными;
• Plot drawing sheet — рамку листа в Gerber обычно не выводят;
• Use Protel filename extensions — расширения вида .GTL, .GBL вместо .gbr, если их просит завод;
• Use extended X2 format и Include netlist attributes — расширенный формат с данными о цепях; старое CAM-ПО завода может его не понять;
• Generate Gerber job file — файл .gbrjob со стеком, материалами и покрытием.

Сверловка

Кнопка Generate Drill Files в окне Plot (или File → Fabrication Outputs → Drill Files) создаёт файлы отверстий в формате Excellon (его требует большинство заводов) или Gerber X2. По умолчанию металлизированные (PTH) и неметаллизированные (NPTH) отверстия идут в двух разных файлах; объединять их в один файл и включать минимальный заголовок руководство советует только по просьбе завода. Зеркалирование оси Y (Mirror Y axis) при заказе плат на стороннем производстве, как правило, не используют — оно нужно тем, кто изготавливает платы сам. Можно также сделать карту сверловки.

IPC-2581 и ODB++

Если завод их принимает, один файл IPC-2581 (XML, версии B или C) или архив ODB++ заменяет Gerber, сверловку и файл координат. Оба формата выгружаются из меню File → Fabrication Outputs.

BOM и файл координат для монтажа

Перечень элементов (BOM) делают в редакторе схем: Tools → Generate Bill of Materials. На вкладке Edit выбирают поля символов и группировку, на вкладке Export — формат файла; окно предпросмотра показывает, что получится.

Файл координат для автомата установки компонентов — File → Fabrication Outputs → Component Placement (.pos, .gbr): позиция центра и поворот каждого посадочного места в формате текста, CSV или Gerber X3. Можно оставить только SMD-компоненты, исключить элементы с флагом DNP или «Exclude from BOM» и отсчитывать координаты от заданного начала (drill/place file origin). Посадочные места с атрибутом «Exclude from position files» в файл не попадают. Какие варианты нужны, уточняют у завода.

Plugin and Content Manager

Менеджер плагинов и контента (PCM) запускается из окна Project Manager и скачивает пакеты из репозиториев. По умолчанию подключён один репозиторий — официальный репозиторий организации KiCad. Пакеты делятся на четыре вида:

Установка двухэтапная: кнопка Install ставит пакет в очередь (вкладка Pending), а применяет всё Apply Pending Changes. Разработчики KiCad предупреждают: пакеты пишут сторонние авторы, они могут запускать код на вашем компьютере, и проект не гарантирует их качество и безопасность. Ставьте только то, чему доверяете.

Симуляция: встроенный ngspice

Симулятор открывают из редактора схем: Inspect → Simulator. Движок — ngspice, потомок Berkeley SPICE; кроме SPICE-моделей поддерживаются IBIS-модели выводов микросхем.

• Модели. Резисторы, конденсаторы и катушки с двумя выводами и обозначением на R, L или C получают идеальную модель автоматически — достаточно поля Value. Встроенные модели есть для источников, диодов, транзисторов, линий передачи и ключей. Модель конкретной микросхемы подключают через Symbol Properties → Simulation Model → SPICE model from file: файл .lib или .sub с моделью .model или .subckt, незашифрованный. Коммерческих моделей KiCad не поставляет — их берут у производителей; модели, работающие в других SPICE-симуляторах, обычно работают и здесь.
• Символы для моделирования — в библиотеке Simulation_SPICE: источники напряжения и тока, обобщённые полупроводники. Компонент, который не нужен в модели (разъём), исключают галочкой «exclude from simulation».
• Анализы: OP (рабочая точка), DC (развёртка по постоянному току), AC (малосигнальный частотный), TRAN (переходный процесс), PZ (полюса и нули), NOISE (шумы), SP (S-параметры), FFT и Custom — произвольная команда SPICE.
• Директивы можно писать текстом прямо на схеме: например, .tran 10n 1m. Настройки из окна симулятора важнее директив на схеме.

Готовые примеры моделирования лежат в папке demos/simulation установленного KiCad. Схемы LTspice (.asc) KiCad 10 умеет импортировать, но директивы моделирования и специфичные для LTspice элементы могут перенестись не полностью — их надо проверить вручную. Чем отличается сам LTspice, разобрано в статье о LTspice.

Импорт проектов из других САПР

Через File → Import Non-KiCad Project KiCad открывает целые проекты Altium Designer (.PrjPcb), CADSTAR, Eagle 6 и новее (XML), EasyEDA Standard и Pro, PADS и gEDA / Lepton EDA. В версии 10 добавились импорт плат Allegro, PADS и gEDA / Lepton PCB. Отдельные схемы и платы других форматов открываются в соответствующем редакторе. Импортированный проект стоит сразу проверить ERC и DRC: правила и библиотеки переносятся не всегда один в один.

Частые ошибки