Étape 2 — Schématique

Objectifs de l'étape

La schématique est le document central du projet électronique. Elle représente de manière symbolique l'ensemble des composants et leurs interconnexions électriques. C'est à partir d'elle que sera généré le PCB, la BOM (liste de composants) et les fichiers de production. Un schéma propre, bien organisé et correctement annoté est indispensable pour :

• Permettre la vérification et la relecture par un tiers

• Faciliter le debug futur du circuit réel

• Servir de référence pour toute modification ou révision

• Générer automatiquement une BOM fiable et exploitable

Prise en main de l'outil schématique KiCad

L'éditeur de schéma Eeschema

KiCad dispose d'un éditeur de schéma intégré appelé Eeschema. Il permet de placer des symboles de composants, de les relier par des fils et des labels, d'ajouter des marqueurs d'alimentation et d'annoter les composants.

Organisation du projet KiCad

Un projet KiCad génère plusieurs fichiers. Dès cette étape, les fichiers concernés sont :

• projet.kicad\_pro : fichier projet principal, contient les paramètres globaux

• projet.kicad\_sch : fichier du schéma électrique (format texte lisible)

• projet-backups/ : dossier de sauvegardes automatiques générées par KiCad

Organisation du schéma

Découpage en blocs fonctionnels

Un schéma bien structuré est découpé en zones fonctionnelles distinctes et clairement délimitées :

• Bloc alimentation : régulateurs, condensateurs de découplage, protections (fusible, TVS, diode de protection inversion polarité)

• Bloc microcontrôleur : le composant principal avec ses broches de programmation, de reset, de débogage, et ses condensateurs de découplage

• Blocs d'interface : capteurs, actionneurs, drivers, chaque interface dans sa propre zone

• Bloc connectique : connecteurs d'entrée/sortie vers l'extérieur (alimentation, communication, périphériques)

• Bloc de debug et de test : connecteurs JTAG/SWD, LEDs de test, points de test

Utilisation des labels et des net ties

Plutôt que de tracer de longs fils qui traversent toute la feuille, on utilise des labels de net pour nommer les signaux et les relier logiquement sans connexion physique visible :

• Un label UART\_TX placé sur la broche TX du microcontrôleur est automatiquement connecté à tout autre label UART\_TX du schéma

• Les labels rendent le schéma beaucoup plus lisible et facilitent la relecture

• Les noms de labels doivent être explicites et cohérents : préférer SPI1\_MOSI à DATA ou SIG1

Utilisation des feuilles hiérarchiques

Pour les projets complexes, KiCad permet de diviser le schéma en feuilles hiérarchiques : chaque sous-système est représenté dans sa propre feuille, reliée à la feuille principale par des ports hiérarchiques. Cela améliore considérablement la lisibilité pour les projets de grande taille.

Placement des symboles

Bonnes pratiques de placement

• Orienter les composants de manière cohérente : les entrées à gauche, les sorties à droite, l'alimentation en haut, la masse en bas

• Laisser suffisamment d'espace entre les composants pour placer les fils et les labels sans surcharge visuelle

• Regrouper les composants passifs (résistances, condensateurs) à proximité immédiate du composant qu'ils servent

• Aligner les composants sur la grille pour des connexions propres et sans ambiguïté

Les symboles d'alimentation

Les symboles VCC, GND, +3V3, +5V sont des connecteurs logiques spéciaux qui relient implicitement tous les points du même nom. Règles à respecter :

• Utiliser des noms de nets d'alimentation cohérents sur tout le schéma

• Ne jamais connecter directement un +5V et un +3V3 sans régulateur intermédiaire

• Distinguer les rails d'alimentation analogique (AVCC, AGND) des rails numériques (VCC, GND) si le circuit le nécessite

Les composants passifs essentiels

Les condensateurs de découplage

Les condensateurs de découplage sont des condensateurs céramique de faible valeur (typiquement $100\,\text{nF}$) placés au plus près des broches d'alimentation de chaque circuit intégré. Ils filtrent les transitoires de courant provoqués par les commutations internes du composant et stabilisent la tension d'alimentation locale.

• Valeur standard : $100\,\text{nF}$ en céramique (X7R ou X5R) par broche VCC

• Ajouter un condensateur de bulk ($10\,\mu\text{F}$ à $47\,\mu\text{F}$) pour les composants à forte consommation dynamique

• Les placer dans le schéma directement sur la broche d'alimentation du composant, pas « quelque part » sur le net

Les résistances de tirage (pull-up / pull-down)

Pour les lignes de communication open-drain comme l'I2C ou les entrées de reset actif bas, des résistances de tirage sont nécessaires :

• Pull-up : résistance reliée entre le signal et VCC, maintient le signal à l'état HAUT au repos

• Pull-down : résistance reliée entre le signal et GND, maintient le signal à l'état BAS au repos

• Valeur typique pour I2C : $4,7\,\text{k}\Omega$ en mode Standard, $2,2\,\text{k}\Omega$ en mode Fast

• Valeur typique pour reset actif bas : $10\,\text{k}\Omega$

Les résistances de limitation de courant pour les LEDs

Chaque LED doit être associée à une résistance de limitation de courant calculée en fonction de la tension d'alimentation et du courant nominal de la LED :

$$ R = \frac{V_{alim} - V_{LED}}{I_{LED}} $$

Avec typiquement $V_{LED} \approx 2\,\text{V}$ (rouge/jaune) ou $3\,\text{V}$ (bleue/blanche) et $I_{LED} \approx 5\,\text{mA}$ à $20\,\text{mA}$.

Annotations et propriétés des composants

Les références

Chaque composant doit avoir une référence unique (R1, C3, U2, LED1, etc.). KiCad peut annoter automatiquement tous les composants via Outils → Annoter le schéma.

Les valeurs

Chaque composant doit avoir une valeur renseignée :

• Résistance : valeur en ohms (10k, 4k7, 100R)

• Condensateur : valeur avec unité (100nF, 10uF)

• Circuit intégré : référence commerciale exacte (STM32F103C8T6, LM317)

• Connecteur : type et nombre de broches (Conn\_01x04)

Les propriétés additionnelles (champs personnalisés)

KiCad permet d'ajouter des champs personnalisés à chaque composant, exploités lors de la génération de la BOM :

• Manufacturer : fabricant du composant

• MPN : Manufacturer Part Number (référence fabricant exacte)

• Supplier : distributeur (Mouser, Farnell, LCSC)

• SPN : Supplier Part Number (référence distributeur)

• Datasheet : lien vers la datasheet

Vérification des symboles

Correspondance symbole / composant réel

Chaque symbole utilisé dans le schéma doit correspondre exactement au composant physique :

• Vérifier le brochage pin par pin avec la datasheet (les bibliothèques KiCad peuvent contenir des erreurs)

• Vérifier la numérotation des broches : certains composants ont une numérotation non intuitive

• Vérifier la polarité des composants polarisés (condensateurs électrolytiques, LEDs, diodes, transistors)

• Vérifier que le symbole correspond au bon boîtier (un même composant peut exister en DIP, SOIC, QFP — le symbole est commun mais l'empreinte diffère)

Création d'un symbole personnalisé

Si le composant n'existe pas dans les bibliothèques KiCad, il est nécessaire de créer un symbole personnalisé via l'éditeur de symboles. Points de vigilance :

• Copier le brochage exactement depuis la datasheet, page Pin Configuration

• Bien renseigner le type de chaque broche (Input, Output, Power, Passive, Open Collector, etc.) — ces informations sont utilisées par l'ERC

• Créer le symbole dans une bibliothèque de projet dédiée (ne pas modifier les bibliothèques officielles KiCad)

• Sauvegarder et versionner la bibliothèque de symboles avec le projet

Pré-commande des composants

Vérification de la disponibilité

Dès que le schéma est suffisamment avancé, vérifier la disponibilité des composants critiques :

• Consulter les stocks sur Mouser, Farnell, DigiKey, LCSC

• Vérifier les délais d'approvisionnement pour les composants à long délai

• Identifier les composants avec une seule source d'approvisionnement et prévoir une alternative

• Vérifier que les quantités minimales de commande sont compatibles avec vos besoins

Identifier les alternatives

Pour chaque composant critique, identifier au minimum un composant de remplacement compatible :

• Même brochage (drop-in replacement) ou brochage légèrement différent ?

• Mêmes caractéristiques électriques (tension, courant, fréquence) ?

• Même boîtier ?

• L'empreinte PCB doit-elle être modifiée pour accueillir l'alternative ?

Erreurs fréquentes à éviter

• Broches flottantes : toute broche non connectée doit être explicitement mise à GND, VCC, ou marquée Non Connected (X dans KiCad). Une entrée flottante capte les perturbations électromagnétiques et peut provoquer un comportement imprévisible.

• Court-circuit d'alimentation : deux nets d'alimentation de tensions différentes reliés par erreur (label mal orthographié)

• Oubli du condensateur de découplage : systématique sur toutes les broches VCC de chaque CI

• Inversion RX/TX : sur une liaison UART, le TX de l'appareil A se connecte au RX de l'appareil B. L'erreur d'inversion est extrêmement courante.

• Inversion SDA/SCL : moins grave qu'un court-circuit, mais le bus I2C ne fonctionnera pas

• Oubli de la résistance de limitation : une LED connectée directement à une sortie de microcontrôleur sans résistance détruira la sortie du GPIO

• Niveau logique incompatible : connecter directement une sortie 5 V à une entrée 3,3 V sans pont diviseur ni level-shifter

• Schéma non annoté : générer le PCB avec des composants non annotés (référence  ?) provoque des erreurs en cascade