Rastreador de Activos LTE + GNSS Parte 2

Esta es la Parte Dos de mi proyecto Rastreador de Activos LTE GNSS. En la primera parte, identifiqué los componentes adecuados para el proyecto y capturé los esquemáticos. En esta parte, vamos a terminar el proyecto con el diseño y enrutamiento de la PCB.

En el último artículo, había establecido mi objetivo de hacer esta placa lo más pequeña posible con la intención de hacer una placa de alta densidad, esperando que necesitaría 6 capas para el enrutamiento. Sin embargo, el tamaño total de una placa está determinado por los componentes más grandes, independientemente de los deseos del diseñador. El soporte de la batería de iones de litio 18650 y la antena LTE por sí solos definen la huella de esta placa, con la antena LTE teniendo requisitos específicos de espaciado y diseño que se combinan con la batería 18650 para determinar la longitud, y la antena LTE por sí sola determinando el ancho.

El proyecto sigue siendo relativamente compacto, y el tamaño mayor de lo anticipado sí permite menos compromisos de ingeniería en cuanto a la colocación de componentes se refiere.

Antes de sumergirnos en el diseño y enrutamiento, me gustaría reiterar lo que se mencionó en la parte anterior de este artículo: este proyecto es de código abierto y está disponible bajo la permisiva licencia MIT. Puedes encontrar los archivos del proyecto en GitHub. Los componentes para este proyecto provienen de mi biblioteca de componentes de código abierto Altium Designer®, la Celestial Altium Library. Puedes usar este proyecto como punto de partida para tu propio proyecto/producto, o utilizar cualquier parte de él como desees.

Pila de Capas

Dado que esta es una placa de RF, lo primero que voy a configurar en la placa es la pila de capas. Necesita tener al menos 4 capas para permitir un trazo lo suficientemente pequeño para las trazas de RF. Voy a usar esencialmente la misma pila de capas que utilicé en mi proyecto CC1125 Sub-1GHz Transceiver. Puedes encontrar una guía de configuración para la pila de capas y la impedancia en ese artículo.

Una cosa que estoy haciendo de manera diferente en este proyecto en comparación con el proyecto Sub 1Ghz es no usar un apilado simétrico. Debajo de la capa superior tengo una capa de plano, pero encima de la capa inferior tengo una capa de señal. Por defecto, Altium utiliza un apilado simétrico, lo que cambiará pares de capas coincidentes para que ambas sean planos o señales a medida que cambias una de las capas.

Para desactivar esta función, puedes buscar en el panel de propiedades bajo la sección de Placa, y deseleccionar Simetría de Apilado.

Con el apilado de la placa establecido, las reglas de impedancia y las clases establecidas, estoy listo para comenzar el diseño.

Diseño de la Placa

Continuando desde la parte anterior de este proyecto, he transferido los componentes a la PCB. Para este proyecto, no estoy usando habitaciones—las habitaciones son increíblemente útiles para muchos proyectos, especialmente cualquier cosa de múltiples canales, por ejemplo, mi Proyecto de Monitor y Controlador de Corriente hace buen uso de habitaciones para un enrutamiento rápido. Sin embargo, en este proyecto, probablemente terminaría ocultando las habitaciones y haciendo que cada habitación cubra toda la placa, ya que no tengo reglas relacionadas con habitaciones y no estoy usando ninguna característica relacionada con habitaciones en Altium.

Para desactivar la generación de habitaciones en el PCB al actualizar la placa, puedes desactivarlas yendo a Proyecto -> Opciones del Proyecto y seleccionando Ignorar Diferencias desde la pestaña de Generación de ECO.

Esto resulta en que todos los 141 componentes del diseño se transfieran a la placa, siempre me encanta cómo se ven cuando se transfieren por primera vez.

Como he mencionado en artículos anteriores, realmente me gusta comenzar un diseño agrupando los componentes juntos como bloques que organizaré individualmente. Estas son agrupaciones típicamente más finas que solo por hoja esquemática. Encuentro que esto me ayuda a obtener una mejor comprensión del espaciado y la disposición haciéndolo de esta manera.

Por ejemplo, el esquemático del microcontrolador agrupará los componentes de desacoplamiento y filtro de potencia juntos, y el microcontrolador y cualquier pasivo asociado con él al lado de ese grupo, y luego finalmente el puerto de depuración de un solo cable y el botón de reinicio. La hoja esquemática para el microcontrolador en este proyecto también incluye un chip de flash SPI, que no necesariamente necesito tener justo al lado del microcontrolador en la disposición, así que también agrupo eso por separado. Si hubiera agrupado el IC de flash con el microcontrolador, podría limitar mis opciones de disposición cuando llegue el momento de ensamblar el rompecabezas de componentes.

Esto me da pequeños bloques para organizar individualmente. Aunque esta placa solo tiene 140 componentes, si aplicas esta estrategia a placas que tienen cientos de componentes, puede hacer que el proyecto de diseño y enrutamiento parezca mucho menos desalentador y complicado.

Ser capaz de enfocarse en muchas secciones pequeñas de forma aislada y luego unir esas secciones poco a poco hace que el diseño sea mucho más accesible.

Diseño Preliminar

Una vez que todos los bloques de componentes están colocados individualmente, es mayormente un rompecabezas sobre cómo encajarlos todos juntos en la placa. Al ensamblar los bloques de componentes, siempre es una buena idea tener alguna previsión con respecto a cómo pasar señales entre las secciones. Es fácil dejarse llevar por empaquetar las cosas de forma compacta y no dejar espacio para conductores o vías de tamaño suficiente.

El diseño de entrada con los diodos TVS y el fusible requirió de muchos experimentos, a diferencia de los módulos y los ICs, esta es la sección más flexible en cuanto a la posición se refiere. Es crítico que los diodos TVS estén entre la conexión de carga y la fuente, para que puedan mitigar cualquier transitorio antes de que los circuitos sensibles se dañen. El camino de retorno/tierra necesita ser grande y de baja impedancia para permitir que un pico de corriente grande sea gestionado efectivamente sin dañar la placa en sí.

La parte inferior de la placa es bastante escasa, principalmente porque la posición del portapilas está bastante restringida debido a los postes de montaje que tiene para estabilidad mecánica. Los postes afectan severamente dónde pueden ir otros componentes en la placa, lo que solo permite usar una pequeña sección de la placa en un lado del portapilas. Originalmente, planeaba poner uno de los módulos reguladores debajo del GNSS, pero realmente odiaba esa posición, ya que me preocupaba que el ruido de conmutación se acoplara al módulo GNSS. Afortunadamente, quería colocar el zócalo de la tarjeta SIM en la parte inferior de la placa también, y debajo del módulo GNSS funcionó muy bien. Quería el zócalo de la tarjeta SIM en el mismo lado que la batería y el bloque terminal de entrada de energía para que, si esto estuviera en una carcasa, permitiera que los componentes de servicio estuvieran en el mismo lado y fueran fácilmente accesibles por un técnico.

También coloqué la antena LTE en el lado opuesto de la placa al de la antena GNSS para intentar usar la placa para proteger algo del ruido radiado directamente. No va a hacer mucha diferencia, pero tomaré lo que pueda obtener.

Enrutamiento Crítico

Una vez que tengo un diseño preliminar, me gusta trazar todo lo que es crítico para el rendimiento de la placa; para esta placa, son las redes RF, las redes de mayor corriente, como la alimentación de entrada y la alimentación LTE, y la única fuente de alimentación conmutada que no es un módulo.

Esto asegura que esas redes estén en su lugar y sean lo que necesitan ser, de modo que las redes IO que no tienen requisitos especiales puedan encontrar su camino alrededor de esas áreas.

El TPS61089 de Texas Instruments es un regulador interesante, su diseño es un poco diferente al de muchos convertidores elevadores en el sentido de que la salida de voltaje pasa a través del propio chip. Como siempre, intentamos seguir las recomendaciones de diseño del fabricante lo más cerca posible, a menos que tengas una muy buena razón para no hacerlo. El diseño del fabricante típicamente te va a dar la mayor probabilidad de una implementación exitosa, estable y de bajo ruido de un regulador conmutado.

La antena LTE también tiene una recomendación de diseño, sin embargo, tuve que desviarme de esta debido a la colocación del módulo y la antena. Dejé el módulo LTE en el lado superior de la placa, con la antena en el lado inferior de la placa, ya que dejaba la menor distancia entre los pads de la antena y los pads del puerto de la antena LTE. Aún seguí el diseño, sin embargo, está en un ángulo de 45 grados después del inductor, y tiene un vía para cambiar de lado de la placa en el capacitor.

Aquí tienes una guía rápida para configurar la adaptación de impedancia en tu placa de circuito en Altium. He proporcionado instrucciones paso a paso en un proyecto anterior, pero sé que algunas personas prefieren el video.

Como ocurre con todo lo relacionado con RF, deberías evaluar el rendimiento y el enrutamiento del primer prototipo con un analizador de redes para ver qué ajustes podrían ser necesarios. Los fabricantes, o el enrutamiento de un diseño de referencia, solo deben considerarse un punto de partida inicial para tu primer prototipo para acercarte a un diseño óptimo. Herramientas de simulación como Microwave Studio, HFSS y otras también son una excelente manera de obtener un buen punto de partida, pero el cobre real sobre el sustrato siempre tendrá algunas variaciones en comparación con una simulación. Las simulaciones no son perfectas, y tampoco lo es la fabricación.

Este es mi primer intento de enrutamiento de la parte superior e inferior de la placa.

Desafortunadamente, rápidamente se hizo evidente que no había manera de que pudiera conseguir todas las conexiones a través de la sección de entrada del esquemático.

Los polígonos aquí son demasiado densos para permitir cualquier vía para otras redes que pasen, y no hay espacio para agregar más.

La pregunta es, ¿realmente necesito esa cantidad de área de cobre? Mencioné una calculadora de ancho de traza de PCB en mi artículo rápido y sucio sobre densidad de corriente, así que tomaré algo de mi propio consejo y la consultaré para calcular lo que realmente necesito.

Para mis capas superior e inferior, necesito menos de 1mm de ancho de traza, lo cual es una noticia fantástica. Puedo limpiar esos polígonos bastante. Vale la pena mencionar que muchos fabricantes de PCB de bajo costo utilizarán capas internas de 17uM, y por lo tanto, las capas internas necesitan ser el doble de anchas para transportar la misma corriente que una capa externa de cobre.

Es bonito soñar con grandes áreas de cobre, pero en este caso no es posible implementarlo. Un conductor más pequeño todavía va a ser más que suficiente.

Para comparar, aquí están las mismas áreas de la placa una vez que se completó el enrutamiento.

La mayoría de los cambios están en la capa inferior, lo que me permitió sacar algo de energía al circuito integrado del cargador de batería y hacer todas las conexiones para los diversos módulos reguladores que se necesitaban.

Completando la Placa

El diseño completado para esta placa terminó siendo bastante similar a lo que inicialmente había comenzado. Me sorprendió bastante, ya que había pensado que estaría moviendo cosas un poco a medida que avanzaba, pero con espacio limitado y requisitos para mantener ciertas partes alejadas unas de otras, realmente no había muchas alternativas a considerar sin un cambio completo de la posición de cada componente.

El módulo LTE recibirá señales de mucha mayor intensidad que las que verá el módulo GNSS, por lo tanto, era crítico asegurar que el módulo GNSS y su antena permanecieran en una sección relativamente limpia de la placa. Preferiría mucho más tener la mayoría de los reguladores de modo conmutado y su interferencia electromagnética cerca del módulo LTE y su antena que cerca del GNSS. El extremo de la placa con el módulo GNSS realmente solo tiene el monitor de capacidad de la batería y el transceptor CAN, ninguno de los cuales debería impactar la recepción de navegación.

Dediqué bastante tiempo a ordenar las pistas una vez que se aplicaron las capas finales de masa en la placa, con el fin de asegurar una masa más continua e ininterrumpida en cada capa. Aunque hay una capa completa de plano de masa, siempre me gusta repasar y resaltar la red de masa y revisar cada capa para ver dónde puedo limpiar un poco el diseño. A menudo, un pequeño empujón de una pista en una dirección u otra puede abrir huecos para permitir que una capa de masa se extienda, dando como resultado una capa más completa.

Aquí es donde la nueva herramienta Gloss Selected resulta increíblemente útil, combinada con el enrutamiento interactivo de abrazar y empujar. Algunas de las pistas que coloqué al principio, solo para hacer una conexión y ver qué sucedía, luego se movieron significativamente durante el enrutamiento, a medida que la pista y/o las vías conectadas a ella se desplazaban para hacer espacio para otras conexiones. Muchas de estas pistas, al usar el gloss, ocuparon menos espacio y se agruparon mejor, permitiendo un relleno de tierra más completo.

Conclusión

Esperaba alcanzar al menos un 80% de densidad en la placa en este proyecto, como un objetivo personal, sin embargo, sin cambiar la forma de la placa solo para reducir el área superficial, no iba a suceder. La placa todavía habría ocupado la misma cantidad de espacio físico. Terminé alcanzando un 60% de densidad, que en mi opinión es una placa bastante dispersa. Pero, debido a esto, pude usar solo 4 capas y también lograr un diseño más óptimo con el número de módulos reguladores de conmutación que tiene esta placa.

A pesar del tamaño más grande, el rastreador sigue siendo significativamente más compacto que los rastreadores y dispositivos de diagnóstico remoto disponibles comercialmente que he usado en el pasado. En un equipo, como una torre de luz o un generador, esto todavía sería fácil de ocultar, y si se coloca en una carcasa, podría montarse de manera robusta, lo que reduciría en gran medida las posibilidades de extracción o daño, especialmente en caso de robo.

Con el acelerómetro y los datos CAN enviados a la plataforma en la nube adecuada aprovechando una herramienta (como IBM Watson), sería posible identificar una necesidad de mantenimiento desde el principio, antes de que un componente crítico pudiera dañarse irreparablemente. En lugar de reaccionar ante un fallo completo o una avería, el sistema de aprendizaje automático podría alertar a los técnicos de la necesidad de actuar. Si se implementa correctamente, esta característica podría ahorrar fácilmente a una empresa mucho más dinero de lo que el menor costo del seguro para el equipo podría ahorrar.

Combinar las predicciones de mantenimiento preventivo del aprendizaje automático con la recuperación rápida del equipo/planta en caso de robo podría reducir en gran medida el tiempo de inactividad y mejorar las tasas de disponibilidad del equipo.

Podría pasar felizmente otra semana o más ajustando el enrutamiento, haciendo pequeñas mejoras aquí y allá, pero en algún momento, un diseño necesita ser considerado terminado, al menos para una primera revisión. Si usas este diseño y haces algunos cambios después de probarlo, siéntete libre de enviar una solicitud de extracción en GitHub, para que otros también puedan disfrutar de tu implementación.

Este proyecto es de código abierto, como se mencionó al inicio del artículo, puedes obtener los archivos de diseño en GitHub bajo la licencia MIT.

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