Konzeptphase – Design des Deckelbauteils Teil 2

Wir setzen unsere Reise durch das Design des Deckelbausatzes bei unserem Open Source Laptop-Projekt fort.

Entwurf eines Testadapters — Layout

Jetzt müssen wir all unsere Arbeit in ein tatsächliches Hardware-Design umsetzen. Das Layout dieser Platine ist unkompliziert, da wir nur eine Hochgeschwindigkeitsschnittstelle besonders beachten müssen.

Die DisplayPort-Schnittstelle kann gemäß Spezifikation bis zu 20UI de-skewen. UI steht für Unit Interval, was das Reziproke der Bitrate ist. Für eine 2,7Gbps-Verbindung wie die, die wir verwenden, bedeutet dies 370ps pro UI. Obwohl ein De-Skewing von bis zu 20UI möglich ist, empfiehlt die Hardware-Checkliste eine maximale Paar-zu-Paar-Verzögerung von +/- 1UI oder 740ps.

Die Intra-Paar-Verzögerung ist mit einer erlaubten Verzögerung von weniger als 10ps viel kritischer.

Die differentielle Impedanz des Hauptlinks des DisplayPorts (die vier Datenpaare ML0 – ML3) muss bei 100 Ohm kontrolliert werden.

Der AUX-Kanal arbeitet mit einer viel niedrigeren Geschwindigkeit von nur 1MHz. Aus Gründen der Einfachheit werden wir den AUX-Kanal als Teil des Hauptlinks behandeln, wenn es um die PCB-Designregeln geht.

Normalerweise möchten wir beim Einrichten der Routing-Regeln mit einem Impedanzprofil arbeiten, das im Layer-Stack-Manager definiert ist. Für diese Leiterplatte verwenden wir diese Funktionalität jedoch nicht, da die Impedanzwerte bereits von unserem Leiterplattenhersteller überprüft und bereitgestellt wurden.

Um genaue Verzögerungswerte für den Hauptlink zu erhalten, können X-Signale verwendet werden, um die korrekte Verzögerung von Stecker zu Stecker zu extrahieren und die Lücke über die Serienwiderstände zu überbrücken.

X-Signale hervorgehoben für DP-Hauptlink

Schnelltipp #1 - Erstellen von Silkscreen-Merkmalen

Bevor wir zum Layout übergehen, möchte ich einen schnellen Tipp zum Erstellen der Silkscreen-Merkmale des DisplayPort-Steckverbinder-Footprints teilen. Der Silkscreen sollte die Umrisse und alle anderen wichtigen Merkmale des betreffenden Teils zeigen, die es leicht machen, die Position der Komponente auf der Leiterplatte zu identifizieren. Dies wird besonders wichtig, wenn keine separate Montageschicht für den Montagezeichnungs-Fertigungsausgang verwendet wird.

Anstatt die Silkscreen-Merkmale manuell im Footprint-Editor zu zeichnen, kann es viel schneller sein, sie aus dem CAD-Tool zu importieren, das verwendet wurde, um das 3D-Modell für das Teil vorzubereiten.

Wir müssen nur die Oberflächen auswählen, die die Merkmale enthalten, die wir in der Siebdruckschicht sehen möchten, und eine DXF-Datei dieser Oberflächen exportieren. Jetzt können wir die DXF-Datei einfach in Altium Designer importieren. Da wir denselben Ursprung für den Export der 3D-CAD-Datei verwendet haben, wird der Siebdruck automatisch korrekt in Bezug auf das 3D-Modell der Komponente positioniert.

CAD-zu-Siebdruck-Workflow unter Verwendung von DXF-Umrissen

Da es nicht viele Komponenten auf der Platine gibt, wird das Routing nicht zu schwierig sein. Wir haben zwei Signallagen—Oben und Unten—verfügbar für das Routing der Hochgeschwindigkeitssignale. Die inneren zwei Lagen werden Erdungsreferenzebenen sein. Da sich die Referenzebene ebenfalls ändern wird, wenn wir von der oberen Routinglage zur unteren Routinglage mit einem Signal wechseln, müssen wir daran denken, Rücklaufpfad-Vias nahe bei den Signal-Vias zu platzieren.

Der Trimmerwiderstand wird nahe am Platinenrand platziert für leichten Zugang.

Die Testpunkte, 0402-Widerstands-Footprints und ESD-Dioden werden Impedanzdiskontinuitäten auf den Hauptverbindungssignalleitungen verursachen. Die allgemeinen DisplayPort-Routing-Richtlinien erfordern keinen Erdungsplaneausschnitt unter Testpunkten oder Komponenten-Footprints. Dies muss in der endgültigen Implementierung unter Verwendung geeigneter Simulationstools weiter überprüft werden.

Mit dem abgeschlossenen Routing sieht die fertige Platine so aus:

Finalisiertes DP zu eDP Layout

Nachdem wir ein letztes Mal überprüft haben, dass keine Kollisionen zwischen den Board-Steckverbindern und den passenden Kabelsteckern bestehen, können wir eine abschließende Designregelprüfung durchführen und die Platinen bestellen.

Zusammenbau der Platinen

Nachdem wir die PCB-Rohlinge und die Lötpastenschablone vom Hersteller erhalten haben, können wir endlich die PCBs zusammenbauen und testen.

Wir verwenden für dieses Board eine Henkel GC10 Lötpaste mit einer T4 Partikelgröße. Die Schablone hat eine Standarddicke von 100um. Die Pads, die auf diesem Board verwendet werden, sind relativ groß. Für Bauteile mit feinem Raster oder Komponenten mit einer sehr kleinen Schablonenöffnung kann eine kleinere Lötpastenpartikelgröße und eine dünnere Schablone verwendet werden. Für unser Board sind die Standardwerte in Ordnung.

Adapter-PCB mit Lötpastendruck

Adapter-PCB mit auf Lötpaste platzierten Komponenten

Adapterplatine bestückt mit Komponenten für das Reflow-Löten

Nachdem alle Komponenten platziert wurden, löten wir die Platine in einem Dampfphasen-Reflow-Ofen. Die Verwendung eines Dampfphasenprozesses gewährleistet einen sehr schonenden Lötprozess und garantiert, dass keine Komponente überhitzt wird.

Das ist der Moment, in dem mir klar wurde, dass die Pinbelegung der DisplayPort-Anschlüsse nicht übereinstimmte. Ich hatte bereits erwähnt, dass die Pinbelegung eines DisplayPort-Kabels nicht eins zu eins an beiden Enden übereinstimmt. Leider musste ich das auf die harte Tour lernen, deshalb ist die Platine jetzt grün statt schwarz.

Nachdem wir die verbleibenden THT-Komponenten auf die Platine gelötet haben, sind wir bereit für den Test:

Gelötetes Adapterboard DP Hauptlink

Gelötetes Adapterboard 3,3V PSU

Voll bestücktes Adapterboard

Testen des Display-Panels

Es ist endlich Zeit, das Display zu testen. Nachdem wir die Funktionalität des PWM-Generators sowie des 3,3V-Reglers überprüft haben, können wir das Display-Panel anschließen. Mein DELL XPS 9500 wird die DisplayPort-Quelle bereitstellen und ein Labornetzteil mit integriertem Leistungsmonitor wird die 12V-Versorgung für den Adapter liefern.

Nach dem Anschließen des Panels wird es vom DELL XPS korrekt erkannt mit der entsprechenden Bildschirmauflösung. Nach Aktivierung der Display-Hintergrundbeleuchtung und Deaktivierung des Selbsttests mit den entsprechenden Jumpern leuchtet das Panel auf!

Erfolgreicher Test des Display-Panels

Leider kann ich meine Kamera nur als "Messinstrument" verwenden, um den Bildschirm mit anderen Laptops, zu denen ich Zugang habe, zu vergleichen. Ich habe einige Bilder gemacht, um Helligkeit und Kontrastverhältnis mit anderen Geräten unter Verwendung von Photoshop zu vergleichen. Die Veränderung der Kameraposition in 10°-Schritten, relativ zur Mitte des Displays, gibt einen ersten Eindruck vom nutzbaren Blickwinkel. Ich werde die Ergebnisse in einem zukünftigen Update teilen, sobald ich eine zuverlässigere Messkonfiguration bereit habe. Basierend auf den vorläufigen Messergebnissen und meinem persönlichen Eindruck kann ich sagen, dass dieses Panel Teil des Open-Source-Laptop-Projekts sein wird!

Das ist es für dieses Update. Vielen Dank für Ihre Zeit und Ihr Interesse! In den nächsten Updates zum Deckeldesign werden wir uns genauer mit der mechanischen Integration des Displays sowie der Webcam und den Touch-Tasten befassen. Bezüglich dieser Platinen werden wir uns auch das elektrische Design dieser Komponenten ansehen. Wie in diesem Update erwähnt, müssen wir noch einen Weg um das steife Mikro-Koaxial-Displaykabel finden – noch etwas, das wir erkunden werden. Ich hoffe, Sie bleiben weiterhin dabei!