LTE + GNSS Asset Tracker Teil 2

Dies ist Teil Zwei meines LTE GNSS Asset Tracker-Projekts. Im ersten Teil habe ich die richtigen Komponenten für das Projekt identifiziert und die Schaltpläne erfasst. In diesem Teil werden wir das Projekt mit dem PCB-Layout und dem Routing abschließen.

Im letzten Artikel hatte ich mein Ziel erwähnt, diese Platine so klein wie möglich zu machen, in der Absicht, eine Platine mit hoher Dichte zu erstellen, und erwartet, dass ich 6 Schichten für das Routing benötigen würde. Die Gesamtgröße einer Platine wird jedoch unabhängig von den Wünschen des Designers durch die größten Komponenten bestimmt. Der Halter für den 18650 Lithium-Ionen-Akku und die LTE-Antenne allein definieren den Fußabdruck dieser Platine, wobei die LTE-Antenne spezifische Abstands- und Layoutanforderungen hat, die zusammen mit dem 18650-Akku die Länge bestimmen, und die LTE-Antenne allein die Breite festlegt.

Das Projekt ist immer noch relativ kompakt, und die größer als erwartete Größe erlaubt weniger Ingenieurkompromisse, was die Platzierung der Komponenten betrifft.

Bevor wir uns dem Layout und dem Routing zuwenden, möchte ich wiederholen, was im vorherigen Teil dieses Artikels erwähnt wurde – dieses Projekt ist Open Source und steht unter der permissiven MIT-Lizenz zur Verfügung. Die Projektdateien finden Sie auf GitHub. Die Komponenten für dieses Projekt stammen aus meiner Open-Source-Altium Designer® Komponentenbibliothek, der Celestial Altium Library. Sie können dieses Projekt als Ausgangspunkt für Ihr eigenes Projekt/Produkt verwenden oder beliebige Teile davon nach Wunsch nutzen.

Layer Stack

Da es sich um eine RF-Platine handelt, werde ich als Erstes den Layer-Stack auf der Platine einrichten. Es müssen mindestens 4 Lagen sein, um eine ausreichend kleine Spur für die RF-Leiterbahnen zu ermöglichen. Ich werde im Wesentlichen denselben Layer-Stack verwenden, den ich in meinem CC1125 Sub-1GHz Transceiver-Projekt verwendet habe. Eine Anleitung zur Einrichtung des Layer-Stacks und der Impedanz finden Sie in jenem Artikel.

Eine Sache, die ich bei diesem Projekt im Vergleich zum Sub-1GHz-Projekt anders mache, ist, dass ich keinen symmetrischen Stackup verwende. Unter der obersten Schicht habe ich eine Ebene, aber über der untersten Schicht habe ich eine Signalebene. Standardmäßig verwendet Altium einen symmetrischen Stack, der passende Paare von Schichten ändert, sodass beide entweder Ebenen oder Signale sind, wenn man eine der Schichten ändert.

Um diese Funktion zu deaktivieren, können Sie im Eigenschaften-Panel unter dem Abschnitt Board nachsehen und die Stapelsymmetrie abwählen.

Mit dem festgelegten Board-Stack, den Impedanzregeln und -klassen bin ich bereit, mit dem Layout zu beginnen.

Board-Layout

Fortsetzend vom vorherigen Teil dieses Projekts habe ich die Komponenten auf das PCB übertragen. Für dieses Projekt verwende ich keine Räume – Räume sind für viele Projekte unglaublich praktisch, besonders für alles, was mehrkanalig ist, zum Beispiel macht mein Stromüberwachungs- und Steuerungsprojekt guten Gebrauch von Räumen für schnelles Routing. In diesem Projekt würde ich die Räume jedoch wahrscheinlich einfach ausblenden und jeden Raum so einstellen, dass er das gesamte Board abdeckt, da ich keine raumbezogenen Regeln habe und keine raumbezogenen Funktionen in Altium verwende.

Um zu verhindern, dass beim Aktualisieren der Platine Räume auf dem PCB generiert werden, können Sie diese deaktivieren, indem Sie zu Projekt -> Projekteinstellungen gehen und Unterschiede ignorieren im Tab für die ECO-Generierung auswählen.

Dadurch werden alle 141 Komponenten im Design auf die Platine übertragen, ich liebe es immer, wie sie beim ersten Übertragen aussehen.

Wie ich in vorherigen Artikeln erwähnt habe, beginne ich ein Layout wirklich gerne, indem ich Komponenten als Blöcke gruppiere, die ich einzeln anordne. Diese sind typischerweise feiner gruppiert als nur nach Schaltplanblatt. Ich finde, es hilft mir, ein besseres Verständnis für Abstände und Layout zu bekommen, wenn ich es auf diese Weise mache.

Zum Beispiel wird im Schaltplan des Mikrocontrollers die Entkopplung und die Filterkomponenten für die Stromversorgung zusammen gruppiert, und der Mikrocontroller und alle damit verbundenen passiven Bauteile daneben, und dann schließlich der Single Wire Debug-Port und der Reset-Knopf. Das Schaltplanblatt für den Mikrocontroller in diesem Projekt beinhaltet auch einen SPI-Flash-Chip, den ich nicht unbedingt direkt neben dem Mikrocontroller im Layout haben muss, also gruppiere ich diesen auch separat. Hätte ich den Flash-IC mit dem Mikrocontroller gruppiert, könnte das meine Layout-Optionen einschränken, wenn ich das Puzzle der Komponenten zusammenbaue.

Dies gibt mir dann kleine Blöcke, die ich einzeln anordnen kann. Obwohl dieses Board nur 140 Komponenten hat, wenn man diese Strategie auf Boards anwendet, die viele hundert Komponenten haben, kann es das Projekt des Layouts und des Routings viel weniger einschüchternd und kompliziert erscheinen lassen.

Die Möglichkeit, sich auf viele kleine Abschnitte isoliert zu konzentrieren und dann diese Abschnitte Stück für Stück zusammenzubringen, macht das Layout viel zugänglicher.

Grobes Layout

Sobald alle Komponentenblöcke einzeln angeordnet sind, ist es meistens ein Puzzle, wie man sie alle auf dem Board zusammenfügt. Beim Zusammenstellen der Komponentenblöcke ist es immer eine gute Idee, etwas Voraussicht in Bezug darauf zu haben, wie man Signale zwischen den Abschnitten bekommt. Es ist leicht, sich mit dem dichten Packen der Dinge zu beschäftigen und keinen Raum für ausreichend große Leiter oder Vias zu lassen.

Das Layout mit den TVS-Dioden und der Sicherung erforderte viele Experimente, anders als bei den Modulen und ICs, ist dies der flexibelste Bereich, was die Positionierung angeht. Es ist entscheidend, dass die TVS-Dioden zwischen der Lastverbindung und der Quelle liegen, damit sie eventuelle Transienten abfangen können, bevor die empfindlichen Schaltkreise beschädigt werden. Der Masse-/Rückleiterpfad muss groß und von niedriger Impedanz sein, um einen großen Stromstoß effektiv bewältigen zu können, ohne die Platine selbst zu beschädigen.

Die Unterseite der Platine ist ziemlich leer, hauptsächlich weil die Position des Batteriehalters aufgrund der Montagestützen für mechanische Stabilität ziemlich eingeschränkt ist. Die Stützen beeinflussen stark, wo andere Komponenten auf der Platine platziert werden können, was nur einen kleinen Bereich der Platine auf einer Seite des Halters nutzbar macht. Ursprünglich hatte ich geplant, eines der Reglermodule unter das GNSS zu setzen, aber diese Position gefiel mir wirklich nicht, da ich mir Sorgen über die Kopplung des Schaltrauschens auf das GNSS-Modul machte. Glücklicherweise wollte ich auch den SIM-Kartensockel auf der Unterseite der Platine haben, und unter dem GNSS-Modul funktionierte es sehr gut. Ich wollte den SIM-Kartensockel auf derselben Seite wie die Batterie und den Stromanschlussklemmenblock haben, sodass, wenn dies in einem Gehäuse wäre, es den wartbaren Komponenten erlauben würde, auf derselben Seite zu sein und leicht von einem Techniker zugänglich zu sein.

Ich habe auch die LTE-Antenne auf der gegenüberliegenden Seite der Platine zur GNSS-Antenne platziert, um zu versuchen, die Platine als Schild gegen einige der direkt abgestrahlten Störungen zu nutzen. Es wird nicht viel Unterschied machen, aber ich nehme, was ich bekommen kann.

Kritisches Routing

Sobald ich ein grobes Layout habe, lege ich gerne alles, was für die Leistung der Platine kritisch ist, fest—für diese Platine sind das die RF-Netzwerke, die Netze mit höherem Strom, wie die Eingangsleistung und LTE-Leistung, und das einzelne Schaltnetzteil, das kein Modul ist.

Dies stellt sicher, dass diese Netze an ihrem Platz sind und das sind, was sie sein müssen, sodass IO-Netze, die keine besonderen Anforderungen haben, sich um diese Bereiche herum einen Weg bahnen können.

Der Texas Instruments TPS61089 ist ein interessanter Regler, sein Layout unterscheidet sich ein wenig von vielen Boost-Konvertern, da die Spannungsausgabe durch den Chip selbst erfolgt. Wie immer versuchen wir, den Layout-Empfehlungen des Herstellers so genau wie möglich zu folgen, es sei denn, es gibt einen sehr guten Grund, dies nicht zu tun. Das Layout des Herstellers wird typischerweise die höchste Chance auf eine erfolgreiche, stabile, geräuscharme Implementierung eines Schaltreglers bieten.

Die LTE-Antenne hat ebenfalls eine Layoutempfehlung, jedoch musste ich davon abweichen aufgrund der Platzierung des Moduls und der Antenne. Ich habe das LTE-Modul auf der Oberseite der Platine belassen, mit der Antenne auf der Unterseite, da dies den kürzesten Abstand zwischen den Antennenpads und den LTE-Antennenportpads ließ. Ich habe mich immer noch an das Layout gehalten, jedoch ist es nach dem Induktor in einem 45-Grad-Winkel und hat eine Durchkontaktierung, um die Seiten der Platine am Kondensator zu wechseln.

Hier ist eine schnelle Anleitung zur Einrichtung der Impedanzanpassung für Ihre Leiterplatte in Altium. Ich habe schrittweise Anweisungen in einem vorherigen Projekt bereitgestellt, aber ich weiß, dass manche Leute Videos bevorzugen.

Wie bei allem, was mit RF zu tun hat, sollten Sie die Leistung und Verdrahtung des ersten Prototyps mit einem Netzwerkanalysator bewerten, um zu sehen, welche Abstimmungen erforderlich sein könnten. Die Hersteller oder das Routing eines Referenzdesigns sollten nur als ein initialer Ausgangspunkt für Ihren ersten Prototyp betrachtet werden, um Sie einem optimalen Design näher zu bringen. Simulationswerkzeuge wie Microwave Studio, HFSS und andere sind ebenfalls eine großartige Möglichkeit, einen guten Startpunkt zu bekommen – aber echtes Kupfer auf Substrat wird immer einige Abweichungen im Vergleich zu einer Simulation aufweisen. Simulationen sind nicht perfekt, und das ist die Herstellung auch nicht.

Das ist mein erster Durchlauf der Verdrahtung der Ober- und Unterseite der Platine.

Leider wurde schnell klar, dass es keine Möglichkeit gab, alle Verbindungen durch den Eingangsbereich des Schaltplans zu bekommen.

Die Polygone hier sind einfach zu dicht, um irgendwelche Vias für andere Netze durchzulassen, und es gibt keinen Raum, um mehr hinzuzufügen.

Die Frage ist, brauche ich wirklich so viel Kupferfläche? Ich habe in meinem Artikel über schnelle und schmutzige Stromdichteberechnung einen Leiterbahnbreitenrechner erwähnt, also werde ich meinem eigenen Rat folgen und ihn nutzen, um zu berechnen, was ich tatsächlich brauche.

Für meine oberen und unteren Schichten benötige ich weniger als 1mm Leiterbahnbreite, was fantastische Neuigkeiten sind. Ich kann diese Polygone stark bereinigen. Es ist erwähnenswert, dass viele kostengünstige PCB-Hersteller 17uM innere Schichten verwenden und daher die inneren Schichten doppelt so breit sein müssen, um denselben Strom wie eine äußere Kupferschicht zu tragen

Es ist schön, von großen Kupferflächen zu träumen, aber in diesem Fall ist es nicht möglich, dies umzusetzen. Ein kleinerer Leiter wird immer noch mehr als ausreichend sein.

Zum Vergleich, hier sind dieselben Bereiche der Platine, nachdem das Routing abgeschlossen wurde.

Die Mehrheit der Änderungen befindet sich auf der unteren Schicht, was es mir ermöglichte, etwas Strom zum Batterieladungs-IC herauszuführen und alle Verbindungen für die verschiedenen benötigten Reglermodule herzustellen.

Die Platine fertigstellen

Das fertige Layout für diese Platine war am Ende ziemlich ähnlich zu dem, was ich ursprünglich begonnen hatte. Ich war ziemlich überrascht, da ich dachte, ich würde ein wenig herumrücken, während ich vorankam, aber mit begrenztem Platz und der Anforderung, bestimmte Teile voneinander fernzuhalten, gab es wirklich nicht viele Alternativen, ohne die Position jedes Bauteils komplett zu ändern.

Das LTE-Modul wird deutlich stärkere Signale empfangen als das GNSS-Modul, daher war es entscheidend sicherzustellen, dass das GNSS-Modul und seine Antenne auf einem relativ sauberen Abschnitt der Platine bleiben. Ich würde es vorziehen, dass die Mehrheit der Schaltregler und ihre zugehörige elektromagnetische Interferenz in der Nähe des LTE-Moduls und seiner Antenne statt in der Nähe des GNSS liegt. Das Ende der Platine mit dem GNSS-Modul hat wirklich nur den Batteriekapazitätsmonitor und den CAN-Transceiver, von denen keiner die Navigationsaufnahme beeinträchtigen sollte.

Ich habe ziemlich viel Zeit damit verbracht, die Leiterbahnen zu ordnen, nachdem die endgültigen Masseflächen auf der Platine angebracht waren, um eine kontinuierlichere, ununterbrochene Masse auf jeder Schicht zu gewährleisten. Obwohl es eine vollständige Masseplane gibt, gehe ich immer gerne durch und hebe das Masse-Netz hervor und schaue mir jede Schicht an, um zu sehen, wo ich das Design möglicherweise etwas aufräumen kann. Oft kann ein kleines Verschieben einer Leiterbahn in die eine oder andere Richtung Lücken öffnen, die es einer Massefläche ermöglichen, durchzulaufen, was eine vollständigere Massefläche ergibt.

Hier kommt das neue Gloss Selected-Werkzeug unglaublich praktisch zum Einsatz, kombiniert mit dem Hug and Push interaktiven Routing. Einige der Leiterbahnen, die ich früh platziert hatte – nur um eine Verbindung herzustellen und zu sehen, was passiert – wurden später während des Routings erheblich verschoben, da die Leiterbahn und/oder die mit ihr verbundenen Vias verschoben wurden, um Platz für andere Verbindungen zu schaffen. Viele dieser Leiterbahnen nahmen mit dem Gloss-Werkzeug weniger Platz ein und schmiegten sich besser aneinander, was eine vollständigere Massefläche ermöglichte.

Schlussfolgerung

Ich hatte gehofft, bei diesem Projekt mindestens eine Dichte von 80% auf der Platine zu erreichen, einfach als persönliches Ziel. Jedoch, ohne die Form der Platine zu ändern, nur um die Oberfläche zu reduzieren, war dies nicht möglich. Die Platine hätte immer noch denselben physischen Raum eingenommen. Ich erreichte letztendlich eine Dichte von 60%, was meiner Meinung nach eine ziemlich spärliche Platine ist. Aber dadurch konnte ich nur 4 Lagen verwenden und auch ein optimaleres Layout mit der Anzahl der Schaltreglermodule, die diese Platine hat, erreichen.

Trotz der größeren Größe ist der Tracker immer noch deutlich kompakter als kommerziell erhältliche Tracker und Fern-Diagnosegeräte, die ich in der Vergangenheit verwendet habe. In einem Gerät, wie einem Lichtmast oder Generator, wäre dies immer noch leicht zu verbergen, und wenn es in ein Gehäuse eingebaut würde, könnte es robust montiert werden, was die Chancen einer Entfernung oder Beschädigung erheblich reduzieren würde, besonders im Falle eines Diebstahls.

Mit den Daten des Beschleunigungsmessers und CAN, die an die richtige Cloud-Plattform gesendet werden, die ein Werkzeug nutzt (wie IBM Watson), wäre es möglich, einen Wartungsbedarf frühzeitig zu erkennen, bevor eine kritische Komponente irreparabel beschädigt werden könnte. Anstatt auf einen kompletten Ausfall oder Zusammenbruch zu reagieren, könnte das maschinelle Lernsystem Techniker auf die Notwendigkeit einer Maßnahme aufmerksam machen. Wenn diese Funktion korrekt implementiert wird, könnte sie einem Unternehmen leicht weit mehr Geld sparen, als niedrigere Versicherungskosten für die Ausrüstung einsparen könnten.

Die Kombination von präventiven Wartungsvorhersagen durch maschinelles Lernen mit der schnellen Wiederherstellung der Ausrüstung/Anlage im Falle eines Diebstahls könnte die Ausfallzeiten erheblich reduzieren und die Verfügbarkeitsraten der Ausrüstung verbessern.

Ich könnte problemlos noch eine weitere Woche oder länger damit verbringen, an der Verdrahtung zu feilen und hier und da kleine Verbesserungen vorzunehmen, aber irgendwann muss ein Design als fertig betrachtet werden, zumindest für eine erste Revision. Wenn Sie dieses Design verwenden und nach dem Testen einige Änderungen vornehmen, fühlen Sie sich frei, eine Pull-Anfrage auf GitHub zu stellen, damit auch andere Ihre Implementierung genießen können.

Dieses Projekt ist, wie zu Beginn des Artikels erwähnt, Open Source, Sie können die Design-Dateien auf GitHub unter der MIT-Lizenz abrufen.

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