Suivi d'actifs LTE + GNSS Partie 2

Voici la deuxième partie de mon projet de Traceur d'actifs LTE GNSS. Dans la première partie, j'ai identifié les composants adéquats pour le projet et réalisé les schémas. Dans cette partie, nous allons terminer le projet avec l'agencement et le routage du PCB.

Dans le dernier article, j'avais exprimé mon objectif de rendre cette carte aussi petite que possible dans l'intention de créer une carte de haute densité, en prévoyant que j'aurais besoin de 6 couches pour le routage. Cependant, la taille totale d'une carte est déterminée par les composants les plus grands, indépendamment des souhaits du concepteur. Le support de batterie lithium-ion 18650 et l'antenne LTE définissent à eux seuls l'empreinte de cette carte, l'antenne LTE ayant des exigences spécifiques d'espacement et de disposition qui, combinées à la batterie 18650, déterminent la longueur, et l'antenne LTE seule déterminant la largeur.

Le projet reste relativement compact, et la taille plus grande que prévu permet moins de compromis d'ingénierie en ce qui concerne le placement des composants.

Avant de plonger dans l'agencement et le routage, j'aimerais réitérer ce qui a été mentionné dans la partie précédente de cet article—ce projet est open source et est disponible sous la licence permissive MIT. Vous pouvez trouver les fichiers du projet sur GitHub. Les composants pour ce projet proviennent de ma bibliothèque de composants open source Altium Designer®, la Celestial Altium Library. Vous pouvez utiliser ce projet comme point de départ pour votre propre projet/produit, ou utiliser n'importe quelle partie comme vous le souhaitez.

Empilement des couches

Étant donné qu'il s'agit d'une carte RF, la première chose que je vais configurer sur la carte est l'empilement des couches. Il doit avoir au moins 4 couches pour permettre une piste assez petite pour les traces RF. Je vais utiliser essentiellement le même empilement de couches que celui que j'ai utilisé dans mon projet CC1125 Sub-1GHz Transceiver. Vous pouvez trouver un guide de configuration pour l'empilement des couches et l'impédance dans cet article.

Une chose que je fais différemment dans ce projet par rapport au projet Sub 1Ghz est de ne pas utiliser un empilement symétrique. Sous la couche supérieure, j'ai une couche de masse, mais au-dessus de la couche inférieure, j'ai une couche de signal. Par défaut, Altium utilise un empilement symétrique, ce qui changera les paires de couches correspondantes pour qu'elles soient toutes les deux des couches de masse ou des signaux lorsque vous modifiez l'une des couches.

Pour désactiver cette fonction, vous pouvez regarder dans le panneau des propriétés sous la section Carte, et désélectionner la Symétrie de l'Empilement.

Avec l'empilement de la carte défini, les règles d'impédance et les classes définies, je suis prêt à commencer l'agencement.

Agencement de la Carte

En continuant à partir de la partie précédente de ce projet, j'ai transféré les composants sur le PCB. Pour ce projet, je n'utilise pas de zones—les zones sont incroyablement pratiques pour de nombreux projets, surtout tout ce qui est multi-canal, par exemple, mon projet de Contrôleur et Moniteur de Courant tire un bon parti des zones pour un routage rapide. Dans ce projet, cependant, je finirais probablement juste par cacher les zones et faire en sorte que chaque zone couvre toute la carte, car je n'ai pas de règles liées aux zones et je n'utilise aucune fonctionnalité liée aux zones dans Altium.

Pour désactiver la génération automatique de zones sur le PCB lors de la mise à jour du circuit, vous pouvez les désactiver en allant dans Projet -> Options du projet et en sélectionnant Ignorer les différences depuis l'onglet Génération d'ECO.

Cela résulte en la transfert des 141 composants du design sur le circuit, j'adore toujours leur apparence lorsqu'ils sont transférés pour la première fois.

Comme je l'ai mentionné dans des articles précédents, j'aime vraiment commencer un agencement en regroupant les composants ensemble par blocs que je vais disposer individuellement. Ce sont typiquement des regroupements plus fins que juste par feuille schématique. Je trouve que cela m'aide à mieux comprendre l'espacement et l'agencement en procédant de cette manière.

Par exemple, le schéma du microcontrôleur regroupera les composants de découplage et de filtrage d'alimentation ensemble, et à côté, le microcontrôleur et tous les passifs associés à ce groupe, puis finalement le port de débogage Single Wire et le bouton de réinitialisation. La feuille schématique pour le microcontrôleur dans ce projet inclut également une puce flash SPI, que je n'ai pas nécessairement besoin d'avoir juste à côté du microcontrôleur dans l'agencement, donc je la groupe également séparément. Si j'avais regroupé la puce flash avec le microcontrôleur, cela pourrait limiter mes options d'agencement lorsque je commence à assembler le puzzle de composants.

Cela me donne alors de petits blocs à agencer individuellement. Bien que cette carte n'ait que 140 composants, si vous appliquez cette stratégie à des cartes qui ont des centaines de composants, cela peut rendre le projet de disposition et de routage beaucoup moins intimidant et compliqué.

Être capable de se concentrer sur de nombreuses petites sections isolément puis de rassembler ces sections petit à petit rend la disposition beaucoup plus abordable.

Disposition Préliminaire

Une fois que tous les blocs de composants sont disposés individuellement, c'est principalement un casse-tête sur la manière de les assembler tous sur la carte. Lors de l'assemblage des blocs de composants, il est toujours bon d'avoir une certaine prévoyance concernant la manière de faire passer les signaux entre les sections. Il est facile de se laisser emporter par le fait de tout emballer de manière compacte et de ne pas laisser de place pour des conducteurs ou des vias de taille suffisante.

La disposition des entrées avec les diodes TVS et le fusible a nécessité beaucoup d'expérimentation, contrairement aux modules et aux circuits intégrés, c'est la section la plus flexible en termes de positionnement. Il est crucial que les diodes TVS soient placées entre la connexion de charge et la source, afin qu'elles puissent atténuer les transitoires avant que les circuits sensibles ne soient endommagés. Le chemin de retour/à la terre doit être large et de faible impédance pour permettre à un pic de courant important d'être géré efficacement sans endommager la carte elle-même.

Le dessous de la carte est assez dégagé, principalement parce que la position du porte-piles est assez limitée en raison des montants de fixation qu'il possède pour la stabilité mécanique. Les montants affectent grandement l'emplacement où d'autres composants peuvent être placés sur la carte, ce qui ne laisse qu'une petite section de la carte utilisable d'un côté du porte-piles. J'avais initialement prévu de mettre l'un des modules régulateurs sous le GNSS, mais je détestais vraiment cette position, car je m'inquiétais de la possibilité que le bruit de commutation se couple au module GNSS. Heureusement, je voulais aussi placer le support de carte SIM au bas de la carte, et sous le module GNSS, cela fonctionnait très bien. Je voulais que le support de carte SIM soit du même côté que la batterie et le bloc de bornes d'entrée d'alimentation afin que, si cela était dans un boîtier, cela permette aux composants pouvant nécessiter un service d'être du même côté, et d'être facilement accessibles par un technicien.

J'ai également placé l'antenne LTE du côté opposé de la carte par rapport à l'antenne GNSS pour essayer d'utiliser la carte comme un bouclier contre une partie du bruit rayonné directement. Ça ne fera pas une grande différence, mais je prends ce que je peux obtenir.

Routage Critique

Une fois que j'ai un agencement approximatif, j'aime router tout ce qui est critique pour la performance de la carte—pour cette carte, ce sont les réseaux RF, les réseaux à courant plus élevé, tels que l'alimentation d'entrée et l'alimentation LTE, et l'unique alimentation à découpage qui n'est pas un module.

Cela assure que ces réseaux sont en place et répondent à leurs besoins, ainsi les réseaux IO qui n'ont pas d'exigences particulières peuvent se frayer un chemin autour de ces zones.

Le régulateur Texas Instruments TPS61089 est intéressant, son agencement est un peu différent de nombreux convertisseurs boost en ce que la sortie de tension passe à travers la puce elle-même. Comme toujours, nous essayons de suivre les recommandations d'agencement du fabricant aussi fidèlement que possible, à moins que vous n'ayez une très bonne raison de ne pas le faire. L'agencement du fabricant va typiquement vous offrir la plus grande chance d'une mise en œuvre réussie, stable et à faible bruit d'un régulateur à mode commuté.

L'antenne LTE a également une recommandation de disposition, cependant, j'ai dû m'en écarter en raison du placement du module et de l'antenne. J'ai laissé le module LTE sur le côté supérieur de la carte, avec l'antenne sur le côté inférieur de la carte, car cela laissait la distance la plus courte entre les pads de l'antenne et les pads du port de l'antenne LTE. J'ai tout de même suivi la disposition, cependant, elle est à un angle de 45 degrés après l'inducteur, et possède une via pour changer de côté de la carte au niveau du condensateur.

Voici un guide rapide pour configurer l'adaptation d'impédance pour votre carte de circuit dans Altium. J'ai fourni des instructions étape par étape dans un projet précédent, mais je sais que certaines personnes préfèrent les vidéos.

Comme pour tout ce qui concerne la RF, vous devriez évaluer les performances et le routage du premier prototype avec un analyseur de réseau pour voir quel ajustement pourrait être nécessaire. Les fabricants, ou le routage d'un design de référence, ne devraient être considérés que comme un point de départ initial pour votre premier prototype afin de vous rapprocher d'un design optimal. Les outils de simulation tels que Microwave Studio, HFSS et d'autres sont également un excellent moyen d'obtenir un bon point de départ, mais le cuivre réel sur substrat aura toujours quelques variantes par rapport à une simulation. Les simulations ne sont pas parfaites, et la fabrication non plus.

Voici mon premier essai de routage du dessus et du dessous de la carte.

Malheureusement, il est rapidement devenu évident qu'il n'y avait aucun moyen que je puisse faire passer toutes les connexions à travers la section d'entrée du schéma.

Les polygones ici sont juste trop denses pour permettre à des vias pour d'autres réseaux de passer, et il n'y a pas de place pour en ajouter.

La question est, ai-je vraiment besoin de tant de surface en cuivre ? J'ai mentionné un calculateur de largeur de trace PCB dans mon article sur la densité de courant rapide et sale, donc je vais suivre mes propres conseils et m'y rendre pour calculer ce dont j'ai réellement besoin.

Pour mes couches supérieure et inférieure, j'ai besoin de moins de 1mm de largeur de piste, ce qui est une excellente nouvelle. Je peux nettoyer ces polygones considérablement. Il est bon de noter que de nombreux fabricants de PCB à faible coût utiliseront des couches internes de 17uM, et donc les couches internes doivent être deux fois plus larges pour transporter le même courant qu'une couche externe de cuivre.

Il est agréable de rêver de grandes zones de cuivre, mais dans ce cas, il n'est pas possible de les mettre en œuvre. Un conducteur plus petit sera tout de même largement suffisant.

Pour comparer, voici les mêmes zones de la carte une fois le routage terminé.

La majorité des changements se trouvent sur la couche inférieure, ce qui m'a permis de distribuer de l'énergie au circuit intégré du chargeur de batterie et de réaliser toutes les connexions pour les différents modules régulateurs nécessaires.

Finalisation de la carte

La disposition finale de cette carte s'est avérée être assez similaire à ce avec quoi j'avais initialement commencé. J'ai été assez surpris, car je pensais que je déplacerais un peu les choses au fur et à mesure, mais avec un espace limité et des exigences pour garder certaines pièces éloignées les unes des autres, il n'y avait pas vraiment beaucoup d'alternatives à envisager sans un changement complet de la position de chaque composant.

Le module LTE recevra des signaux de bien plus forte intensité que ce que le module GNSS pourra percevoir, il était donc crucial de s'assurer que le module GNSS et son antenne restent sur une section relativement propre de la carte. Je préférerais de loin avoir la majorité des régulateurs à mode commuté et leurs interférences électromagnétiques associées près du module LTE et de son antenne plutôt que près du GNSS. L'extrémité de la carte avec le module GNSS ne contient vraiment que le moniteur de capacité de la batterie et le transceiver CAN, aucun des deux ne devant impacter la réception de navigation.

J'ai passé pas mal de temps à ordonner les pistes une fois les derniers apports de masse appliqués sur la carte, afin de garantir une masse plus continue et ininterrompue sur chaque couche. Bien qu'il y ait une couche complète de plan de masse, j'aime toujours passer en revue et mettre en évidence le réseau de masse et examiner chaque couche pour voir où je pourrais éventuellement nettoyer un peu la conception. Souvent, un petit ajustement d'une piste dans une direction ou une autre peut ouvrir des espaces permettant à un apport de masse de se frayer un chemin, offrant ainsi un apport plus complet.

C'est là que le nouvel outil Gloss Selected devient incroyablement pratique, combiné au routage interactif hug and push. Certaines des pistes que j'ai placées au début—juste pour faire une connexion et voir ce qui se passait—ont été déplacées de manière significative pendant le routage, alors que la piste et/ou les vias qui y étaient connectés étaient déplacés pour faire de la place pour d'autres connexions. Beaucoup de ces pistes, en utilisant le gloss, prenaient moins de place et se collaient mieux ensemble, permettant un remplissage de masse plus complet.

Conclusion

J'espérais atteindre au moins une densité de 80% sur la carte pour ce projet, juste comme un objectif personnel, cependant sans changer la forme de la carte juste pour réduire la surface, cela n'allait pas se produire. La carte aurait tout de même occupé la même quantité d'espace physique. J'ai fini par atteindre une densité de 60%, ce qui à mon avis est une carte assez peu dense. Mais, grâce à cela, j'ai pu utiliser juste 4 couches et également obtenir une disposition plus optimale avec le nombre de modules de régulateur à découpage que cette carte possède.

Malgré sa taille plus grande, le traceur reste nettement plus compact que les traceurs et dispositifs de diagnostic à distance disponibles sur le marché que j'ai utilisés par le passé. Dans un équipement, tel qu'une tour d'éclairage ou un générateur, cela serait encore facile à dissimuler, et si placé dans un boîtier, pourrait être robustement monté, ce qui réduirait grandement les chances de retrait ou de dommage, surtout en cas de vol.

Avec les données de l'accéléromètre et du CAN envoyées à la bonne plateforme cloud en utilisant un outil (tel qu'IBM Watson), il serait possible d'identifier un besoin de maintenance dès le début, avant qu'un composant critique puisse être endommagé au-delà de la réparation. Plutôt que de réagir à une panne complète ou à une défaillance, le système d'apprentissage automatique pourrait alerter les techniciens de la nécessité d'agir. Si mis en œuvre correctement, cette fonctionnalité pourrait facilement faire économiser à une entreprise bien plus d'argent que les coûts d'assurance réduits pour l'équipement pourraient le faire.

Combiner les prédictions de maintenance préventive de l'apprentissage automatique avec la récupération rapide de l'équipement/de l'usine en cas de vol pourrait grandement réduire le temps d'arrêt et améliorer les taux de disponibilité de l'équipement.

Je pourrais passer joyeusement une autre semaine ou plus à peaufiner le routage, en apportant de légères améliorations ici et là, mais à un moment donné, un design doit être considéré comme terminé, du moins pour une première révision. Si vous utilisez ce design et apportez quelques modifications après les tests, n'hésitez pas à soumettre une demande de tirage sur GitHub, afin que d'autres puissent également profiter de votre mise en œuvre.

Ce projet est open source, comme mentionné au début de l'article, vous pouvez récupérer les fichiers de conception sur GitHub sous la licence MIT.

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