PCB Design untuk IoT dengan KiCad: Schematic hingga Gerber

1. Mengapa Custom PCB untuk IoT?

Prototyping dengan breadboard dan jumper wire sangat bagus untuk development, tetapi untuk produksi atau proyek yang serius, custom PCB memberikan keunggulan yang signifikan: ukuran lebih kecil, koneksi lebih reliable, performa RF yang lebih baik, dan estetika yang profesional.

Biaya PCB Custom di PCB Manufacturer

2. Setup KiCad 8

# Linux (Ubuntu/Debian)
sudo add-apt-repository ppa:kicad/kicad-8.0-releases
sudo apt update
sudo apt install kicad

# macOS (Homebrew)
brew install --cask kicad

# Windows: Download dari https://www.kicad.org/download/windows/

# Install library tambahan (footprints, symbols)
# KiCad 8 sudah include semua library dasar
# Tapi bisa ditambah dari:
# https://componentsearchengine.com/
# https://snapeda.com/
# https://www.ultralibrarian.com/

# Setup design rules setelah buat project baru
# Preferences → Board Setup → Design Rules:
# - Minimum track width: 0.15mm (6 mil)
# - Minimum clearance: 0.15mm (6 mil)
# - Minimum via drill: 0.3mm
# - Via diameter: 0.6mm
# - Copper pour clearance: 0.3mm

KiCad Workflow

3. Schematic Capture

Schematic adalah "blueprint" dari desain elektronik. Di KiCad, kita menggunakan Eeschema editor untuk menggambar schematic. Pastikan menggunakan library standar KiCad atau custom library yang sudah di-setup.

Best Practices Schematic

• Modularisasi: Pisahkan schematic menjadi beberapa sheet (power supply, MCU, sensors, I/O)
• Power symbols: Gunakan power symbols (VCC, GND, 3V3) daripada wire manual
• Net labels: Gunakan net label untuk koneksi yang lintas sheet
• Decoupling: Letakkan decoupling capacitor di dekat setiap VCC pin
• Comments: Tambahkan text box untuk menjelaskan setiap blok fungsi

Desain Power Supply untuk ESP32

Power Supply Circuit untuk ESP32 IoT Board:
=============================================

Input: USB-C (5V) atau Battery (3.7V LiPo)

1. USB-C Connector (USB_C_Power_Only)
   ├── VBUS (5V) → AMS1117-3.3 LDO Input
   ├── CC1 → 5.1kΩ → GND (for USB-C detection)
   ├── CC2 → 5.1kΩ → GND
   └── D+/D- → Data pins (opsional)

2. LDO Voltage Regulator (AMS1117-3.3)
   ├── Input:  5V (from USB) or 3.7V (from battery)
   ├── Output: 3.3V → main power rail (VCC_3V3)
   ├── Input cap:  10µF ceramic + 100nF
   └── Output cap: 22µF ceramic + 100nF

3. Battery Charging (TP4056 — opsional)
   ├── B+ → Battery + (through protection IC)
   ├── B- → Battery -
   ├── OUT+ → 5V rail (when USB connected)
   └── Charge current: 1A (Rprog = 1.2kΩ)

4. Battery Protection (DW01A + FS8205)
   ├── Over-discharge: 2.5V cutoff
   ├── Over-charge: 4.25V cutoff
   └── Over-current: 3A cutoff

5. Power Path (USB/Battery switch)
   ├── Schottky diode (SS34) from USB
   ├── Schottky diode (SS34) from battery
   └── Both feed into LDO input

4. PCB Layout & Routing

PCB layout adalah proses menempatkan komponen (placement) dan menghubungkannya dengan copper traces (routing). Layout yang baik sangat mempengaruhi performa, terutama untuk sinyal RF dan high-speed digital.

Placement Strategy untuk ESP32 Board

1. MCU di tengah: ESP32 modul (ESP32-WROOM-32) di center PCB
2. Power di satu sisi: USB connector, LDO, battery di edge
3. Sensor di sisi lain: Sensor breakout di edge yang berbeda
4. Antenna clearance: Kosongkan area di bawah/belakang antenna
5. Decoupling dekat pin: 100nF capacitor < 5mm dari VCC pin

Track Width Guidelines

Via dan Layer

5. Ground Plane & Power Distribution

Ground plane adalah lapisan tembaga yang solid yang berfungsi sebagai referensi ground untuk semua sinyal. Ground plane sangat penting untuk mengurangi noise, EMI, dan meningkatkan performa RF.

Prinsip Ground Plane

• Copper pour GND: Selalu gunakan copper pour pada layer bawah untuk 2-layer PCB
• Jangan potong ground plane: Signal traces di layer atas harus menghindari pemotongan ground plane di layer bawah
• Via stitching: Tambahkan via GND secara berkala untuk menghubungkan ground plane di kedua layer
• Star grounding: Untuk sinyal sensitif (ADC), pisahkan analog ground dan digital ground, hubungkan di satu titik

Langkah membuat Ground Plane di KiCad Pcbnew:

1. Buka PCB Editor (Pcbnew)

2. Add Fill Zone (Copper Pour):
   - Toolbar → "Add a filled zone" (ikon kotak dengan crosshatch)
   - Klik di corner PCB
   - Setting:
     * Layer: B.Cu (Bottom Copper) — untuk 2-layer
     * Net: GND
     * Clearance: 0.3mm (12mil)
     * Minimum width: 0.15mm (6mil)
     * Thermal relief: Yes (untuk GND pad)
     * Corner mode: chamfer (45° lebih baik dari 90°)

3. Gambar zone boundary mengelilingi seluruh PCB

4. Tekan 'B' atau Edit → Fill All Zones untuk mengisi copper

5. Untuk top layer, buat zone lagi:
   - Layer: F.Cu (Front Copper)
   - Net: GND
   - Biasanya lebih kecil (jangan penuhi area antenna!)

6. Via stitching (ground via):
   - Tambahkan via GND setiap 5-10mm di area ground plane
   - Via: 0.3mm drill, 0.6mm diameter
   - Ini menghubungkan ground plane di kedua layer

7. Verify:
   - DRC check → pastikan tidak ada clearance violation
   - 3D View → visualisasi ground plane

6. Decoupling Capacitor

Decoupling capacitor adalah komponen paling penting dalam PCB design yang sering diabaikan oleh pemula. Tanpa decoupling yang baik, IC akan mengalami voltage spikes, noise, dan bahkan reset yang tidak terduga.

Panduan Decoupling

7. Antenna Design untuk IoT

Untuk board IoT WiFi/BLE, desain antenna sangat krusial. Performa radio sangat bergantung pada antenna design dan clearance area.

Jenis Antenna untuk IoT PCB

Aturan Antenna Clearance

• No ground plane di bawah/belakang antenna area (minimum 10×15mm clearance)
• No copper pour di layer bawah area antenna
• No komponen di area antenna clearance
• 50Ω impedance matching untuk trace ke antenna
• Via fencing: Baris via GND di kedua sisi antenna trace (jarak λ/20 ≈ 6mm)

8. DFM: Design for Manufacturing

DFM memastikan PCB kamu bisa diproduksi dengan yield yang tinggi dan cost yang rendah. Setiap PCB manufacturer punya capability yang berbeda, tapi berikut adalah guidelines umum:

DFM Checklist

Component Placement DFM Rules

• Orientation: Orientasi komponen yang sama (polarized caps, IC) harus konsisten
• Spacing: Minimum 0.5mm antar SMD component
• Edge clearance: Minimum 2mm dari board edge ke komponen terdekat
• Fiducials: 3 fiducial marks (1mm diameter) untuk pick-and-place alignment
• Panelization: Untuk produksi massal, gunakan V-score atau mouse bite

9. Export Gerber & Order PCB

Gerber adalah format file standar industri untuk manufacturing PCB. KiCad bisa export langsung ke format Gerber yang diterima oleh semua PCB manufacturer.

Langkah Export Gerber di KiCad 8:

1. Buka PCB Editor (Pcbnew)

2. File → Fabrication Outputs → Gerbers (.gbr)
   Setting:
   ├── Format: Gerber X2 (atau RS-274X)
   ├── Units: mm
   ├── Precision: 4.6 (4 digit integer, 6 decimal)
   └── Layers to export:
       ├── F.Cu (Front Copper)
       ├── B.Cu (Back Copper)
       ├── F.SilkS (Front Silkscreen)
       ├── B.SilkS (Back Silkscreen)
       ├── F.Mask (Front Solder Mask)
       ├── B.Mask (Back Solder Mask)
       ├── F.Paste (Front Paste — untuk stencil)
       ├── B.Paste (Back Paste)
       ├── Edge.Cuts (Board Outline)
       └── F.Fab (Front Fabrication — opsional)

3. Output directory: fabrication/ (bisa custom)

4. Klik "Plot" → File .gbr akan ter-generate

5. Export Drill File:
   File → Fabrication Outputs → Drill Files (.drl)
   ├── Format: Excellon
   ├── Units: mm
   ├── Zeros format: Decimal format
   └── Map format: Gerber X2

6. Generate Job File:
   File → Fabrication Outputs → Component Placement (.pos)
   (Untuk assembly otomatis)

7. Zip semua file dan upload ke PCB manufacturer

PCB Manufacturer Populer

10. Quiz Pemahaman