Localizzatore di Asset LTE + GNSS Parte 2

Questa è la seconda parte del mio progetto LTE GNSS Asset Tracker. Nella prima parte, ho identificato i componenti giusti per il progetto e ho realizzato gli schemi. In questa parte, completeremo il progetto con il layout e il routing del PCB.

Nell'ultimo articolo, avevo espresso l'obiettivo di rendere questa scheda il più piccola possibile con l'intenzione di realizzare una scheda ad alta densità, prevedendo che avrei avuto bisogno di 6 strati per il routing. Tuttavia, la dimensione totale di una scheda è determinata dai componenti più grandi, indipendentemente dai desideri del progettista. Il portabatterie per batterie agli ioni di litio 18650 e l'antenna LTE definiscono da soli l'impronta di questa scheda, con l'antenna LTE che ha specifiche esigenze di spaziatura e layout che si combinano con la batteria 18650 per determinare la lunghezza, e l'antenna LTE da sola che determina la larghezza.

Il progetto è comunque relativamente compatto, e la dimensione maggiore del previsto consente minori compromessi ingegneristici per quanto riguarda la disposizione dei componenti.

Prima di immergerci nel layout e nel routing, vorrei ribadire quanto menzionato nella parte precedente di questo articolo: questo progetto è open source ed è disponibile sotto la permissiva licenza MIT. Puoi trovare i file del progetto su GitHub. I componenti per questo progetto provengono dalla mia libreria di componenti open source Altium Designer®, la Celestial Altium Library. Puoi utilizzare questo progetto come punto di partenza per il tuo progetto/prodotto, o usare qualsiasi parte di esso come desideri.

Struttura dei Strati

Dato che si tratta di una scheda RF, la prima cosa che andrò a impostare sulla scheda è la struttura dei strati. Deve essere di almeno 4 strati per consentire una traccia abbastanza piccola per i percorsi RF. Userò essenzialmente la stessa struttura dei strati che ho usato nel mio progetto CC1125 Sub-1GHz Transceiver. Puoi trovare una guida per l'impostazione della struttura dei strati e dell'impedenza in quell'articolo.

Una cosa che sto facendo diversamente in questo progetto rispetto al progetto Sub 1Ghz è non utilizzare un impilamento simmetrico. Sotto lo strato superiore ho uno strato di massa, ma sopra lo strato inferiore ho uno strato di segnale. Di default, Altium utilizza un impilamento simmetrico, che cambierà coppie di strati corrispondenti per essere entrambi piani o segnali mentre si modifica uno degli strati.

Per disabilitare questa funzione, puoi cercare nel pannello delle proprietà sotto la sezione Scheda, e deselezionare Simmetria dell'Impilamento.

Con l'impilamento della scheda impostato, le regole di impedenza e le classi impostate, sono pronto per iniziare il layout.

Layout della Scheda

Proseguendo dalla parte precedente di questo progetto, ho trasferito i componenti sul PCB. Per questo progetto, non sto utilizzando le stanze—le stanze sono incredibilmente utili per molti progetti, specialmente qualsiasi cosa multicanale, per esempio, il mio progetto Monitor e Controller di Corrente fa buon uso delle stanze per un routing veloce. In questo progetto, tuttavia, probabilmente finirei solo per nascondere le stanze e fare in modo che ogni stanza copra l'intera scheda, dato che non ho regole relative alle stanze e non sto utilizzando nessuna funzionalità relativa alle stanze in Altium.

Per disabilitare la generazione automatica delle stanze sul PCB durante l'aggiornamento della scheda, è possibile disattivarle andando su Progetto -> Opzioni Progetto e selezionando Ignora Differenze dalla scheda Generazione ECO.

Ciò comporta il trasferimento di tutti i 141 componenti del progetto sulla scheda, mi piace sempre come appaiono quando vengono trasferiti per la prima volta.

Come ho menzionato in articoli precedenti, mi piace davvero iniziare un layout raggruppando insieme i componenti come blocchi che disporrò individualmente. Questi sono tipicamente raggruppamenti più fini rispetto a quelli basati solo sul foglio schematico. Trovo che questo mi aiuti a ottenere una migliore comprensione dello spazio e del layout procedendo in questo modo.

Ad esempio, lo schema del microcontrollore raggrupperà insieme i componenti di decoupling e filtro di alimentazione, e accanto a questo gruppo il microcontrollore e qualsiasi passivo associato, e poi infine la porta Single Wire Debug e il pulsante di reset. Il foglio schematico per il microcontrollore in questo progetto include anche un chip flash SPI, che non necessariamente devo avere proprio accanto al microcontrollore nel layout, quindi lo raggruppo anche separatamente. Se avessi raggruppato il chip flash con il microcontrollore, avrebbe potuto limitare le mie opzioni di layout quando vengo ad assemblare il puzzle di componenti.

Questo mi dà quindi piccoli blocchi da disporre individualmente. Anche se questa scheda ha solo 140 componenti, se applichi questa strategia a schede che hanno molte centinaia di componenti, può rendere il progetto di layout e routing molto meno scoraggiante e complicato.

Essere in grado di concentrarsi su molte piccole sezioni in isolamento e poi unire queste sezioni poco a poco rende il layout molto più accessibile.

Layout Preliminare

Una volta che tutti i blocchi dei componenti sono disposti individualmente, è per lo più un puzzle su come farli combaciare tutti insieme sulla scheda. Mentre si assemblano i blocchi dei componenti, è sempre una buona idea avere una certa premeditazione riguardo a come far passare i segnali tra le sezioni. È facile lasciarsi trasportare dall'inserire le cose strettamente e non lasciare spazio per conduttori o vie di dimensioni sufficienti.

Il layout di ingresso con i diodi TVS e il fusibile ha richiesto molti esperimenti, a differenza dei moduli e degli IC, questa è la sezione più flessibile per quanto riguarda il posizionamento. È fondamentale che i diodi TVS siano posizionati tra il collegamento al carico e la sorgente, in modo che possano mitigare eventuali transitori prima che i circuiti sensibili subiscano danni. Il percorso di terra/ritorno deve essere ampio e a bassa impedenza per permettere la gestione efficace di un picco di corrente elevato senza danneggiare la scheda stessa.

Il fondo della scheda è piuttosto spoglio, principalmente perché la posizione del portabatterie è abbastanza limitata a causa dei montanti di supporto che ha per la stabilità meccanica. I montanti influenzano notevolmente dove possono essere posizionati altri componenti sulla scheda, consentendo solo una piccola sezione della scheda utilizzabile su un lato del portabatterie. Inizialmente avevo pianificato di mettere uno dei moduli regolatori sotto il GNSS, ma quella posizione non mi piaceva affatto, poiché ero preoccupato che il rumore di commutazione potesse accoppiarsi al modulo GNSS. Fortunatamente, volevo anche posizionare il socket per la SIM card sul fondo della scheda, e sotto il modulo GNSS si è rivelato essere una buona soluzione. Desideravo che il socket per la SIM card fosse sullo stesso lato della batteria e del blocco morsetti di alimentazione in modo che, se fosse stato in un contenitore, avrebbe permesso di avere i componenti servibili sullo stesso lato e di essere facilmente accessibili da un tecnico.

Ho anche posizionato l'antenna LTE sul lato opposto della scheda rispetto all'antenna GNSS per cercare di utilizzare la scheda come schermo per alcune delle interferenze direttamente irradiate. Non farà molta differenza, ma prendo quello che posso.

Routing Critico

Una volta che ho un layout approssimativo, mi piace tracciare tutto ciò che è critico per le prestazioni della scheda—per questa scheda, sono le reti RF, le reti di corrente più elevata, come l'alimentazione di ingresso e l'alimentazione LTE, e l'unico alimentatore a modo commutato che non è un modulo.

Questo assicura che queste reti siano posizionate dove devono essere, così le reti IO che non hanno requisiti speciali possono trovare la loro strada attorno a queste aree.

Il Texas Instruments TPS61089 è un regolatore interessante, il suo layout è un po' diverso da molti convertitori boost in quanto l'uscita di tensione passa attraverso il chip stesso. Come sempre, cerchiamo di seguire le raccomandazioni di layout del produttore il più fedelmente possibile, a meno che non ci sia una buona ragione per non farlo. Il layout del produttore è tipicamente ciò che ti darà la maggiore possibilità di ottenere un'implementazione di un regolatore a modo commutato di successo, stabile e a basso rumore.

L'antenna LTE ha anche una raccomandazione per il layout, tuttavia ho dovuto deviare da questa a causa della posizione del modulo e dell'antenna. Ho lasciato il modulo LTE sul lato superiore della scheda, con l'antenna sul lato inferiore della scheda, poiché ciò lasciava la distanza più breve tra i pad dell'antenna e i pad del porto dell'antenna LTE. Ho comunque seguito il layout, tuttavia è su un angolo di 45 gradi dopo l'induttore, e ha un via per cambiare lato della scheda al condensatore.

Ecco una guida rapida per impostare l'adattamento dell'impedenza per la tua scheda circuitale in Altium. Ho fornito istruzioni passo passo in un progetto precedente, ma so che alcune persone preferiscono i video.

Come per tutte le cose RF, dovresti valutare le prestazioni e il routing del primo prototipo con un analizzatore di rete per vedere quali regolazioni potrebbero essere necessarie. I produttori, o il routing di un design di riferimento, dovrebbero essere considerati solo un punto di partenza iniziale per il tuo primo prototipo per avvicinarti a un design ottimale. Strumenti di simulazione come Microwave Studio, HFSS e altri sono anche un ottimo modo per ottenere un buon punto di partenza, ma il vero rame su substrato avrà sempre alcune varianze rispetto a una simulazione. Le simulazioni non sono perfette, e nemmeno la produzione.

Questo è il mio primo tentativo di routing della parte superiore e inferiore della scheda.

Sfortunatamente, è diventato subito evidente che non ci sarebbe stato modo di realizzare tutte le connessioni attraverso la sezione di ingresso dello schema elettrico.

I poligoni qui sono semplicemente troppo densi per permettere l'inserimento di vie per altre reti, e non c'è spazio per aggiungerne di più.

La domanda è, ho davvero bisogno di così tanta area di rame? Ho menzionato un calcolatore della larghezza della traccia del PCB nel mio articolo rapido e sporco sulla densità di corrente, quindi seguirò il mio stesso consiglio e lo consulterò per calcolare ciò di cui ho effettivamente bisogno.

Per i miei strati superiore e inferiore, ho bisogno di una larghezza di traccia inferiore a 1mm, il che è una notizia fantastica. Posso pulire molto quelle poligoni. È importante notare che molti produttori di PCB a basso costo utilizzeranno strati interni da 17uM, e quindi gli strati interni devono essere larghi il doppio per trasportare la stessa corrente di uno strato esterno di rame.

È bello sognare grandi aree di rame, ma in questo caso non è possibile implementarlo. Un conduttore più piccolo sarà comunque più che sufficiente.

Per confronto, ecco le stesse aree della scheda una volta completato il routing.

La maggior parte dei cambiamenti sono sullo strato inferiore che mi ha permesso di portare un po' di energia al caricabatterie IC e fare tutte le connessioni per i vari moduli regolatori che erano necessari.

Completamento della Scheda

Il layout completato per questa scheda è risultato abbastanza simile a quello con cui avevo iniziato. Sono stato piuttosto sorpreso, poiché pensavo che avrei spostato un po' le cose mentre procedevo, ma con spazio limitato e l'esigenza di mantenere certe parti lontane l'una dall'altra, non c'erano davvero molte alternative da considerare senza un cambio completo della posizione di ogni componente.

Il modulo LTE riceverà segnali di molto superiore intensità rispetto a quelli che vedrà il modulo GNSS, quindi era critico assicurarsi che il modulo GNSS e la sua antenna rimanessero in una sezione relativamente pulita della scheda. Preferirei di gran lunga avere la maggior parte dei regolatori a modo commutato e la loro interferenza elettromagnetica associata vicino al modulo LTE e alla sua antenna piuttosto che vicino al GNSS. La fine della scheda con il modulo GNSS ha solo il monitor della capacità della batteria e il trasmettitore CAN, nessuno dei quali dovrebbe impattare sulla ricezione della navigazione.

Ho trascorso parecchio tempo a sistemare le tracce una volta applicati gli ultimi riempimenti di massa sulla scheda, al fine di garantire una massa più continua e ininterrotta su ogni strato. Anche se c'è uno strato completo di piano di massa, mi piace sempre passare in rassegna e evidenziare la rete di massa e esaminare ogni strato per vedere dove posso potenzialmente pulire un po' il design. Spesso, un piccolo spostamento di una traccia in una direzione o nell'altra può aprire spazi per permettere a un riempimento di massa di passare, ottenendo così un riempimento più completo.

Ecco dove lo strumento Gloss Selected si rivela incredibilmente utile, combinato con il routing interattivo hug and push. Alcune delle tracce che ho posizionato all'inizio—solo per fare una connessione e vedere cosa succedeva—più tardi sono state spostate significativamente durante il routing, poiché la traccia e/o le vie ad essa collegate venivano spostate per fare spazio ad altre connessioni. Molte di queste tracce, utilizzando il gloss, occupavano meno spazio e si adattavano meglio, consentendo un pour di massa più completo.

Conclusione

Speravo di raggiungere almeno l'80% di densità sulla scheda in questo progetto, come obiettivo personale, tuttavia senza cambiare la forma della scheda solo per ridurre l'area superficiale, non sarebbe stato possibile. La scheda avrebbe comunque occupato la stessa quantità di spazio fisico. Sono riuscito ad arrivare al 60% di densità, che a mio parere è una scheda piuttosto sparsa. Ma, grazie a ciò, sono stato in grado di utilizzare solo 4 strati e ottenere anche un layout più ottimale con il numero di moduli regolatori di commutazione presenti su questa scheda.

Nonostante le dimensioni maggiori, il tracker è ancora significativamente più compatto rispetto ai tracker e ai dispositivi diagnostici remoti disponibili commercialmente che ho utilizzato in passato. In un pezzo di attrezzatura, come una torre faro o un generatore, sarebbe ancora facile da nascondere e, se inserito in un contenitore, potrebbe essere montato robustamente, il che ridurrebbe notevolmente le possibilità di rimozione o danneggiamento, specialmente in caso di furto.

Con l'accelerometro e i dati CAN inviati alla giusta piattaforma cloud sfruttando uno strumento (come IBM Watson), sarebbe possibile identificare un bisogno di manutenzione in anticipo, prima che un componente critico possa essere danneggiato oltre riparazione. Piuttosto che reagire a un guasto completo o a un'interruzione, il sistema di apprendimento automatico potrebbe avvisare i tecnici della necessità di intervenire. Se implementata correttamente, questa funzionalità potrebbe facilmente far risparmiare a un'azienda molto più denaro di quanto potrebbero fare i costi assicurativi più bassi per l'attrezzatura.

Combinando le previsioni di manutenzione preventiva dall'apprendimento automatico con il recupero rapido dell'attrezzatura/impianto in caso di furto, si potrebbe ridurre notevolmente il tempo di fermo e migliorare i tassi di disponibilità dell'attrezzatura.

Potrei tranquillamente passare un'altra settimana o più a sistemare il routing, apportando piccoli miglioramenti qua e là, ma ad un certo punto, un progetto deve essere considerato terminato, almeno per una prima revisione. Se utilizzi questo progetto e apporti alcune modifiche dopo averlo testato, sentiti libero di inviare una pull request su GitHub, così anche altri potranno godere della tua implementazione.

Questo progetto è open source, come menzionato all'inizio dell'articolo, puoi prendere i file di progetto su GitHub sotto la licenza MIT.

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