Proyecto Pi.MX8 - Estructura del esquemático y colocación de componentes

Bienvenidos a la segunda entrega del proyecto del módulo de cómputo de código abierto Pi.MX8. En esta serie de artículos, nos adentramos en el diseño y las pruebas de un sistema en módulo basado en un procesador i.MX8M plus de NXP.

En la actualización anterior, discutimos la motivación detrás de este proyecto, así como las características que nuestro módulo debería tener y qué componentes nos gustaría usar para implementarlas.

Esta vez, nos gustaría centrarnos en la estructura del diseño esquemático y cómo podemos comenzar con el diseño de la PCB.

Estructura esquemática

Comencemos por ver cómo se organiza el esquemático. Típicamente se utilizan dos enfoques para manejar la captura esquemática; diseños planos y jerárquicos.

Un esquemático plano se puede imaginar mejor como un esquemático de una sola página grande que simplemente se divide en varias hojas. Las conexiones entre las hojas se pueden establecer usando conectores fuera de hoja, por ejemplo.

En un diagrama de circuito jerárquico, el diseño se puede dividir en bloques de función que se representan como símbolos de hoja, los cuales, a su vez, pueden interconectarse o incluso anidarse. Este enfoque se utiliza a menudo en diseños grandes ya que permite desglosar de manera más efectiva un esquemático grande en bloques que pueden ser diseñados y visualizados de manera independiente entre sí. Las conexiones entre estos bloques funcionales se establecen utilizando puertos que se representarán en el símbolo de la hoja. Con la excepción de los objetos de potencia (VCC, GND, etc.), solo se utilizan puertos para enlazar las hojas del esquemático.

El esquemático Pi.MX8 utiliza esta topología jerárquica:

El diseño se divide en varios bloques funcionales, todos representados en una hoja de nivel superior. Aquí, se establecen todas las conexiones entre las hojas separadas. Este diseño utiliza solo un nivel jerárquico.

El SoC iMX8 se divide en varias partes que se colocan en múltiples hojas. En la hoja de nivel superior, el gran símbolo en el centro de la página representa el SoC. Los dos grandes símbolos de hoja en el lado izquierdo y derecho de la página representan los dos conectores de placa a placa del módulo Pi.MX8. Todos los demás bloques funcionales se representan con su propio símbolo de hoja.

Cada página sigue la misma filosofía de diseño. Las interfaces que salen de una página esquemática están codificadas por colores para representar el nivel de voltaje de la interfaz. Las redes que son parte de la red de distribución de energía se dibujan con un grosor de línea grueso.

Integrar notas para configuraciones específicas, convenciones de nombres o comentarios generales puede usarse para acelerar el proceso de depuración y puesta en marcha, mientras actúa como un recordatorio para el proceso de enrutamiento de PCB.

Página esquemática incluyendo notas y codificación por colores

Agregar notas a un esquemático de Altium Designer desde una hoja de cálculo de Excel o desde capturas de pantalla tomadas de una hoja de datos es tan fácil como Ctrl+C, Ctrl+V:

El diagrama del circuito en sí todavía está sujeto a cambios y, por lo tanto, todavía está en desarrollo. Profundizaremos más en el esquemático en una actualización futura.

Aunque el esquemático experimentará algunos cambios menores en las próximas semanas, ya podemos seguir adelante y planificar el diseño del PCB.

Planificación del diseño de PCB

En la fase de planificación del diseño, nos gustaría definir el apilado de capas y planificar una estrategia sobre cómo enrutar la placa. Como primer paso para definir un apilado de capas y un enfoque de enrutamiento, podemos colocar los componentes clave en la placa. Esto nos ayudará a estimar los requisitos de espacio y la densidad de enrutamiento, que son ambos factores importantes a considerar para definir un apilado de capas y una estrategia de enrutamiento. Los componentes clave en este contexto son partes que tienen un gran impacto en la colocación de los componentes, lo cual es el caso de los siguientes ejemplos:

• Piezas con una posición predefinida en el PCB, es decir, conectores, LEDs indicadores, soportes SMD;

• Piezas con muchas redes que necesitan ser enrutadas, es decir, SoCs, dispositivos de memoria, MCUs;

• Piezas que ocupan mucho espacio en la placa, es decir, inductores grandes, interruptores, disipadores de calor.

Preparando el espacio de la placa

Antes de colocar cualquier componente en el módulo Pi.MX8, lo primero que nos gustaría hacer es definir algunas condiciones límite. En el contexto del módulo, estas son características mecánicas y dimensiones dictadas por el factor de forma del módulo que nos gustaría utilizar.

Dependiendo de una lista de herramientas de MCAD con las que nos integramos, esta información puede ser transferida al editor de diseño de PCB utilizando el MCAD CoDesigner. En nuestro caso, importaremos un archivo DXF que fue creado usando Spaceclaim Engineer. Este contorno DXF se importa y se coloca en una nueva capa mecánica llamada "Referencia":

Dimensiones mecánicas y ubicaciones de conectores del PCB

Con el contorno en su lugar, podemos agregar los orificios de montaje en las ubicaciones correctas utilizando las opciones de ajuste en el editor de PCB. Los conectores de placa a placa se pueden colocar en la capa inferior del módulo de la misma manera:

Posicionamiento de orificios de montaje y conectores en el PCB

En la capa superior, se coloca un conector U.FL para una antena externa debajo del orificio de montaje superior izquierdo. Debajo del conector, se coloca una antena de chip para operación WiFi y Bluetooth. La posición de esta antena integrada no debe cambiarse ya que muchas bases ya existentes utilizan una región de exclusión de cobre debajo de la ubicación de la antena.

La antena es un componente de biblioteca que incluye no solo la antena chip en sí, sino también cierta geometría de cobre y puntos de referencia donde necesitan colocarse los componentes de adaptación. Esta información se puede encontrar en la hoja de datos de la antena. Al incorporar esta información en el componente de la biblioteca, nos aseguramos de que la geometría predefinida no se cambie accidentalmente.

Definiendo la ubicación de la antena

En esta etapa de definir el espacio de la placa que está disponible para el enrutamiento y la colocación de componentes, también puede tener sentido agregar un anillo de guarda a lo largo del borde del PCB. Un anillo de guarda es una pista de cobre que corre a lo largo del borde del PCB en todas las capas y está conectado a tierra a intervalos regulares usando VIAs. Un anillo de guarda colocado a lo largo del borde de la placa evitará que las emisiones radiadas de las capas internas al entorno. Los anillos de guarda también se utilizan en otras configuraciones en un PCB, por ejemplo, para electrónica analógica de precisión donde las corrientes de fuga que fluyen a través de contaminaciones superficiales deben mantenerse fuera de áreas con nodos de alta impedancia altamente sensibles. Si se requieren tales características, estas también deben considerarse durante la fase de planificación del diseño.

Colocar un anillo de guarda a lo largo del borde de la placa en esta etapa inicial del diseño es importante porque, aunque puede no parecer difícil agregar esta característica más adelante, un anillo de guarda puede ocupar una cantidad significativa de espacio. Típicamente, la geometría de cobre necesita tener una distancia mínima de 0.2mm – 0.3mm al borde mecanizado de la placa. A eso se le suma el ancho de traza del anillo de guarda de 0.6mm, por ejemplo, y otros 0.1mm para la distancia del anillo de guarda a las demás trazas de cobre y la placa de repente se reduce 2mm en cada dirección. Especialmente si los conectores están colocados cerca del borde de la placa o si la densidad de componentes en la placa es muy alta, esto puede marcar una gran diferencia durante el enrutamiento.

PCB con anillo de guarda

Otra limitación que deberíamos considerar para la colocación de componentes es el hecho de que ciertos componentes pueden ser susceptibles a estrés mecánico. Dependiendo de la situación de montaje de una PCB dentro de una carcasa, ciertas áreas de una placa pueden experimentar un estrés mecánico significativo. Ejemplos típicos de tales escenarios son los orificios de montaje o los disipadores de calor que aplican una presión de montaje externa a una PCB.

Eso es también algo que deberíamos tener en cuenta para el módulo Pi.MX8. El módulo será montado dentro de una carcasa de aluminio utilizando los cuatro agujeros de montaje. En esta configuración, la placa de circuito y la carcasa están rígidamente conectadas entre sí. Dado que el aluminio tiene un coeficiente de expansión térmica diferente al del FR4, la placa comienza a deformarse tan pronto como el sistema se calienta. La magnitud de este efecto depende de las características exactas del material involucrado y de la diferencia de temperatura vista por el ensamblaje.

Podemos simular la expansión térmica del módulo montado dentro de la carcasa de aluminio. Calculando el gradiente del vector de desplazamiento, podemos ver que la placa experimentará movimiento, especialmente cerca de los agujeros de montaje:

Estrés mecánico causado por la expansión térmica

Si la PCB se utiliza en un ambiente de alta vibración, el mismo principio se aplica en cuanto a altos esfuerzos cerca de los agujeros de montaje.

Pero, ¿por qué es esto importante para el módulo Pi.MX8? Hay componentes en el módulo que son sensibles al estrés mecánico externo. Estos componentes son grandes capacitores cerámicos. Estos capacitores pueden agrietarse fácilmente si están sujetos a estrés mecánico. A menudo, los capacitores fallan con un cortocircuito causando una falla catastrófica de todo el sistema. Por esta razón, los grandes capacitores cerámicos no deben colocarse cerca de los orificios de montaje o los bordes de la placa con corte en V. Este último también experimenta un alto estrés mecánico durante la separación del panel. Cuanto mayor es el capacitor, más sensible es a las cargas mecánicas en el PCB.

Para nosotros, eso significa mantener los capacitores cerámicos mayores a 0603 que no utilizan terminación suave al menos a 3.5 mm de los orificios de montaje. Esta cifra varía dependiendo de la situación de montaje de la placa y se derivó de la simulación para la placa Pi.MX8.

Teniendo esto en cuenta, la colocación preliminar de los componentes clave en la placa Pi.MX8 es la siguiente:

Colocación preliminar de los componentes clave

La idea detrás de esta colocación de componentes y cómo impacta en la elección del apilado de capas será parte de la próxima actualización. ¡Manténganse al tanto para seguir el progreso del módulo Pi.MX8!