Démarrer avec un MCU nRF52 sur un PCB

Cliquez ici pour accéder à l'intégration du visualiseur et parcourir ce projet

La plupart des fabricants de semi-conducteurs ont développé et lancé leur propre gamme de microcontrôleurs, et Nordic Semiconductor ne fait pas exception. L'un de leurs produits les plus connus est le nRF52, un SoC capable de RF avec un émetteur-récepteur intégré. Ce composant est petit, offre un nombre élevé d'E/S et possède un numéro de pièce qui se présente dans un boîtier BGA à pas fin.

Dans cet article, je vais montrer un exemple de disposition de PCB qui utilise la version du nRF52 en boîtier BGA à pas fin. À la fin de l'article, vous aurez la possibilité de télécharger les fichiers sources de ce projet. Sans plus tarder, commençons par un exemple de disposition de PCB incluant le nRF52.

Pour les spectateurs qui souhaitent regarder l'ensemble du processus de conception pour ce composant, nous avons créé la playlist suivante qui guide les utilisateurs à travers le processus d'utilisation du nRF52 dans une disposition de PCB. En particulier, nous couvrons comment utiliser la version haute densité (pas de bille de 0,35 mm) de ce composant dans une conception qui nécessite certaines techniques de conception HDI. Nous montrerons également l'ensemble du parcours d'ingénierie qui nous a menés à la version finale de notre module nRF52.

Conception Frontale

Le nRF52 est disponible en plusieurs boîtiers de petits formats. Ce composant est devenu populaire comme microcontrôleur capable de gérer le Bluetooth, avec un nombre de broches modéré et des interfaces numériques standards, y compris la capacité d'utiliser l'USB dans le dispositif. Le composant cible les petits dispositifs embarqués avec connectivité Bluetooth 5.

Dans ce projet, le composant que nous utiliserons est le nRF52840-CKAA-R7, un WLCSP de 93 broches avec un empreinte BGA. Ce processeur est connu pour fonctionner à faible puissance lorsqu'il ne diffuse pas, il est donc possible de l'utiliser avec une petite batterie. Nous ajouterons à ce système un circuit de régulation de batterie et de protection de polarité afin qu'il puisse fonctionner correctement avec une alimentation par batterie.

Empreinte WLCSP du nRF52840

L'empreinte du nRF52840-CKAA-R7 est montrée ci-dessous. La barre de mesure entre les billes montre que le pas est de 0,35 mm. C'est un pas très fin et cela nécessitera certaines techniques de conception utilisées dans les conceptions HDI.

Autres Composants Importants

Nous aborderons le brochage et l'éventail de ce composant dans l'une des sections ci-dessous. Pour l'instant, plusieurs autres composants apparaîtront dans la conception :

• TPS70933DBVR - Régulateur linéaire à faible courant
• FR015L3EZ - Protecteur de polarité inverse côté bas
• BD33HC0MEFJ-ME2 - Régulateur 3V3/1A pour circuits logiques
• PCF8523TK - Horloge temps réel (RTC) avec interface I2C
• CAT24C512WI-GT3 - EEPROM de 512 KB

Initialement, le dispositif devra se connecter à une batterie LiPo via un connecteur standard à 2 broches, et nous devrons inclure au moins un connecteur pour accéder aux E/S et programmer la carte. Le nombre d'E/S est plus important que ce que nous pourrions normalement intégrer sur un seul connecteur, donc c'est une décision à prendre de savoir s'il faut inclure un 2ème connecteur uniquement pour accéder aux E/S. Pour l'instant, nous allons procéder avec le connecteur de batterie et un seul connecteur E/S, et nous pourrons toujours ajouter un autre connecteur plus tard.

Commencer : Schémas

Les schémas de ce dispositif ne sont pas trop complexes et tous les circuits tiendront sur une seule page. Je montrerai différentes régions des schémas individuellement afin que la conception entière soit claire et facile à lire.

Tout d'abord, examinons la section d'alimentation. Dans ce dispositif, une alimentation 3V3 est fournie par un régulateur de tension faible bruit et faible courant (LDO) avec un courant nominal de sortie de 150 mA. Le LDO prend l'alimentation de la batterie (VBAT) comme entrée et convertit cela en sortie 3V3 désirée.

En se basant sur les connexions de réseau pour VBAT et VDD1, nous constatons qu'il y a deux manières de fournir de l'énergie à la carte :

• Appliquer directement 3V3 à VDD1, par exemple via un connecteur à broches
• Appliquer la tension directement au réseau VBAT, également via l'un des connecteurs

Dans le premier cas, vous n'alimenteriez que le MCU et le RTC ; il n'y aurait pas d'alimentation pour les périphériques. Dans le second cas, vous fourniriez de l'énergie à tout le système, et maintenant VDD1 serait une sortie plutôt qu'une entrée.

Vous remarquerez qu'un 2ème régulateur fournit une alimentation 3V3 pour le réseau VDD2. Ce régulateur comprend une broche d'activation, permettant ainsi à l'appareil de s'allumer d'abord en utilisant VDD1, puis les périphériques (dans ce cas, l'EEPROM) peuvent être alimentés en utilisant VDD2. Cela donne à l'appareil la capacité de désactiver ses périphériques lorsque l'appareil n'est pas utilisé en basculant la broche VDD2_ENABLE. Si nous avions d'autres périphériques que nous pourrions vouloir inclure dans cette conception qui ne sont pas essentiels pour l'allumage de l'appareil, nous voudrions les connecter à VDD2 au lieu de VDD1.

Ensuite, examinons les connexions nRF52840. Elles ont été empruntées à la carte de développement Nordic et l'ensemble original de connexions sur leurs composants peut être consulté dans leurs fichiers de conception Altium.

Ici, j'ai détaillé plusieurs interfaces, et le circuit de support contient principalement des cristaux de référence et quelques condensateurs. Les capacités varient d'un grand boîtier pour le découplage en masse, à un petit boîtier (0201) pour le bypass sur le rail VDD1. Il reste encore beaucoup de broches disponibles dans ce composant, et celles-ci pourraient être utilisées pour d'autres périphériques. Je vais finalement dédier certains des I/Os supplémentaires et l'interface SPI à un connecteur à broches comme montré plus tard dans la série de vidéos.

Si vous regardez la broche E1, vous verrez la connexion de l'antenne. Initialement, en partant des schémas originaux et de l'agencement dans la conception de référence, ce réseau d'adaptation d'impédance utilisait différentes valeurs de condensateurs de sortie. Le réseau d'adaptation d'impédance montré ci-dessous a été déterminé en inversant l'ingénierie de l'impédance de l'antenne avec un calculateur en ligne et en modifiant le réseau d'adaptation pour qu'il soit symétrique. Remplacer le condensateur de sortie de 0,8 pF dans la conception de référence par le condensateur de sortie de 1,2 pF montré ci-dessous produit essentiellement la même performance.

Cela conclut essentiellement la partie de capture schématique, et les circuits restants sont simples à implémenter. Nous pouvons maintenant passer à la mise en page du PCB.

Mise en page du PCB

Une fois dans la mise en page du PCB, nous avons quelques tâches importantes à accomplir pour utiliser le nRF52840 en WLCSP :

• Déterminer un empilement et un éventail de BGA
• Placer l'antenne comme un élément imprimé
• Placer et router les autres CI de manière à ce qu'ils n'interfèrent pas avec la section RF

Empilement et Éventail

Le principal moteur de la stratégie de superposition et de fanout est le pas des billes sur le boîtier nRF52. Les lecteurs peuvent remarquer ci-dessus que le pas des billes est de 0,35 mm. La taille du pad dans mon empreinte est de 0,212 mm, ce qui est une taille appropriée selon les normes IPC pour les empreintes BGA. La distance diagonale à travers les pads est de 0,495 mm. Ces mesures sont indiquées ci-dessous.

Si nous essayions d'utiliser un fanout en os de chien avec des vias traversants pour router vers les broches internes, il ne nous resterait qu'environ 1 à 2 mils d'espace entre les vias et les pads voisins. C'est trop petit pour que la plupart des usines de fabrication puissent graver correctement. Cela nécessiterait également une taille de perçage très petite d'environ 4 mils avec un pad de diamètre de 8 à 9 mils. Ces valeurs sont tout simplement trop petites pour fonctionner dans une fabrication standard.

Par conséquent, j'ai utilisé un déploiement de via dans la pastille avec des vias aveugles et enterrées pour atteindre les couches internes. Étant donné que la taille de la pastille est d'environ 8,3 mil, nous pouvons utiliser des vias aveugles/enterrées de 4 mil avec des pastilles de 8 mil. Pour maintenir un rapport d'aspect de 1:2, nous aurions besoin d'épaisseurs de couche de 4 mil pour nos couches externes avec des vias aveugles/enterrées. Cela donnerait un total de 6 couches comme montré dans l'empilement ci-dessous.

Placement des composants et de l'antenne

Après avoir terminé l'empilement et le déploiement, mon placement initial pour cette carte est montré ci-dessous. J'ai inclus quelques polygones pour le routage de l'alimentation avant de compléter les connexions restantes. Le placement initial de l'en-tête à 6 broches a été utilisé pour la programmation et la lecture des tensions. Le point suivant à considérer est le placement de l'antenne, et enfin, nous pouvons terminer avec les sorties E/S vers nos connecteurs.

Dans cette conception, nous utiliserons une antenne imprimée pour envoyer et recevoir des signaux sans fil. Le meilleur emplacement pour placer une antenne imprimée pour le nRF52 est le long du bord de la carte. Cela permettra de garder l'antenne à l'écart de la section numérique. L'antenne se connecte à la broche E1 sur le nRF52840.

Si vous regardez le design de référence du nRF52, vous verrez qu'ils fournissent un exemple d'antenne imprimée qui peut être incorporé dans d'autres conceptions. Cette antenne est une antenne quart d'onde, et cela peut être vérifié en calculant la longueur de l'antenne et en la comparant avec la longueur d'onde du signal de 2,45 GHz dans une configuration microstrip sans masse. Le réseau d'adaptation d'impédance montré dans les schémas ci-dessus devrait fournir une adaptation suffisante compte tenu des différences dans l'empilement pour cette carte.

En-tête de programmation SWD et en-tête d'E/S

Si vous décidez de produire cette carte, vous aurez besoin de la programmer. La documentation du nRF52840 fournit un guide pour programmer le dispositif via le protocole SWDIO en utilisant seulement 4 broches :

• VDD (alimentation du système)
• SWDIO (J2)
• SWDCLK (H2)
• GND

Par conséquent, j'ai remplacé l'en-tête à 6 broches par un en-tête SWD car c'est un câble standard utilisé pour programmer de nombreux microcontrôleurs (j'ai également quelques câbles SWD dans mon laboratoire). Notez que la broche nReset (K6) est optionnelle pour la programmation, mais je l'inclurai dans le brochage de l'en-tête SWD aux côtés d'une connexion VBAT. Le brochage finalisé sur mon en-tête SWD est montré ci-dessous.

Le programmeur que je préfère utiliser pour ce type d'appareil est le programmeur PRESTO, disponible sur ASIX.net. Ce programmeur prend en charge une longue liste d'appareils, y compris le nRF52840 et d'autres produits Nordic. Vous devrez créer des brochages personnalisés pour le câble sur le PRESTO, mais cela est assez simple à réaliser avec des fils volants.

Ensuite, j'ai décidé de remplacer l'en-tête initialement choisi de 1x6 par un en-tête de 2x7 afin de pouvoir dégager des E/S supplémentaires. L'en-tête a été placé dans le coin supérieur gauche de la carte. J'ai ajouté des résistances en série de 22 Ohms sur ces E/S pour ralentir les signaux entrant sur la carte ou quittant la carte au cas où les EMI deviendraient problématiques dans ces interconnexions. Si il s'avère qu'elles ne sont pas nécessaires, je peux toujours les remplacer par des résistances de 0 Ohm.

Disposition Finale

La disposition finale du PCB est illustrée dans l'image ci-dessous. J'ai ajouté quelques logos, positionné le numéro de pièce dans la partie inférieure droite de la carte, et aligné les résistances sur les lignes d'E/S le long de la moitié inférieure du connecteur à broches. J'ai également effectué un dernier nettoyage sur le typon afin que tous les désignateurs soient clairs et qu'il n'y ait pas de chevauchement. À ce stade, la conception a passé un dernier contrôle de règles de conception (DRC) et elle est prête à être produite.

Fichiers sources et révisions futures

Bien que le routage puisse être amélioré à quelques endroits juste pour nettoyer l'accès aux E/S, la carte sera fonctionnelle et je suis content du résultat. Quelques fonctionnalités supplémentaires qui pourraient être ajoutées incluent un connecteur USB et un circuit intégré de gestion de charge USB afin que l'appareil puisse être chargé à partir du bus standard 5V d'une prise USB.

Un autre composant qui pourrait être ajouté au design est un CI compagnon Nordic qui fournit un accès WiFi aux MCU de la série nRF52. L'année dernière, en août 2022, Nordic a annoncé la sortie de sa nouvelle itération de la série nRF : le nRF7002. Ce SoC offre un support WiFi 6 bi-bande avec une consommation d'énergie ultra-faible en tant que compagnon pour les produits nRF52 ou nRF53. Je vais examiner ce CI compagnon dans un projet et une vidéo à venir.

Pour l'instant, cliquez sur ce lien pour télécharger une archive ZIP avec les fichiers sources du projet. Vous pouvez également utiliser le lien de téléchargement dans l'encart ci-dessus pour accéder aux fichiers sources.

Les composants de haute densité avec des sections RF sont faciles à placer et à router avec l'ensemble complet d'utilitaires CAO dans Altium Designer®. Lorsque vous avez terminé votre conception, et que vous souhaitez envoyer les fichiers à votre fabricant, la plateforme Altium 365™ facilite la collaboration et le partage de vos projets.

Nous n'avons fait qu'effleurer les possibilités offertes par Altium Designer sur Altium 365. Commencez votre essai gratuit d'Altium Designer + Altium 365 dès aujourd'hui.