Ebook: EnviroSense マルチボードプロジェクト

EnviroSenseプロジェクト

私たちのEnviroShieldプロジェクトは、この記事で大きなアップグレードを受けています - プロトタイピングフェーズから脱却し、Nucleoシールドだったものをスタンドアロン製品として構築しています。理想的には、受動放射線および湿度シールドを備えた機械的ハウジングに完全に統合されることになりますが、それはこの記事の範囲を超えています。

注：マルチボードアセンブリをサポートしている場合は、ビューアを埋め込んでください

 

私のプロジェクトと同様に、このプロジェクトはオープンソースであり、ご自由に使用いただけます。設計ファイルはGitHubで見つけることができます。もちろん、プロジェクトファイルに関連する保証、保証、または責任は一切ありません。これらはMITライセンスの下でライセンスされています。

これが屋内外での使用を意図しているため、天気データをデータベースに戻す方法も必要になります。そのため、Microchip ATWINC1500-MR210PB WiFiモジュールを追加することになります。

このプロジェクトでは、ホストボードを構築していますが、主に自分自身の表面実装モジュールを構築する方法と理由について話します。Microchip WiFiモジュールは、なぜ自分自身の表面実装ボードを作成するかの完璧な例です。

なぜ表面実装モジュールを作成するのか？

認証

意図的放射器の認証は高価です。製品にカスタムワイヤレスソリューションを組み込む場合、無線ハードウェアを別のサブアセンブリに移して、個別に認証を受けることが理にかなっているかもしれません。このカスタム無線モジュールを使用する製品が複数ある場合、事前に承認された意図的放射器モジュールを統合しているため、はるかに安価な非意図的放射器クラスの下で認証を受けることができるかもしれません。

このアプローチは、鉄道、自動車、医療アプリケーションなどの認証が必要な電圧レギュレータ、モータードライバ、LEDドライバにも非常に適用可能です。このプロジェクトで使用しているMicrochip ATWINC1500モジュールは、このアプローチの完璧な例です。RFチップを直接ボードに統合することも容易ですが、認証コストは大幅に跳ね上がるでしょう。

コスト削減

ハードウェアの一部に特殊なPCB基板、特殊なPCB機能（例えば、プラグドビアやブラインドビア）、またはより多くのレイヤー数が必要な場合、そのプロジェクトの一部を独自のサブアセンブリに移動することで、いくらかの節約が見込めるかもしれません。回路基板の非特殊な領域が広がるにつれて、必ずしも完全に利用していない回路基板の機能にプレミアム価格を支払っていることになります。

プロジェクトの専門的な部分を分離することで、その回路図ブロックの将来的な再利用も、より安価で簡単になります。既存のモジュールを非専門的なボードに配置するだけで、その機能を十分に活用できます。

標準化

複数のプロジェクトで回路図を再利用しており、ボードのレイアウトにかかるエンジニアリングコストやリスクが大きい場合、サブアセンブリを作成する良いタイミングかもしれません。これの一般的な例は、高性能または高信頼性のスイッチングモード電圧レギュレータです。分離型レギュレータも一般的にサブアセンブリに分割されます。

大きなエンジニアリング投資がある設計の一部を分離することで、新しい回路基板に統合された設計を資格付けするための大きなエンジニアリングコストなしに、迅速な再利用が可能になります。

モジュール表面実装戦略

独自の表面実装モジュールを作成する際には、新しいモジュールがホストボードにどのように取り付けられるかを考慮する必要があります。大量のモジュールを製造する予定がある場合は、組み立てプロセスに最も一般的な方法の両方を評価して、最高の信頼性と組み立ての容易さを決定する必要があります。

ランドグリッドアレイ

コンポーネントを選択する際に、ほぼ確実にランドグリッドアレイ（LGA）- ICまたはアセンブリの下の裸のパッドに遭遇したことがあるでしょう。小さなスペースに多くの接続を行う必要がある場合、LGAは理想的なアプローチとなることがあります。主な欠点は、他のLGAコンポーネントと同様に、接合部の検査が困難であり、プロトタイピングにも課題があることです。追加のコストが発生する可能性があります。これは、追加の機械設定時間が必要になるためで、ボードおよびアセンブリパートナーを設計プロセスの早い段階で巻き込むことで、信頼性を大幅に向上させ、コストを削減できます。

出典: U-Blox NORA-B106 on Digi-Key

ホストボードとモジュールボードの両方でパッド内ビアを避けるべきです。これにより、はんだに空気ポケットができたり、毛細管作用ではんだが吸い取られることがないようにします。

LGAはモジュール製造においても非常にコスト効果が高いです。一部のボードメーカーは、キャステレーションパッドに対して追加料金を請求する場合があります。

キャステレーションパッド

多くの商用モジュールは、そのモジュールにキャステレーションパッドを利用しており、それには十分な理由があります。キャステレーションパッドは非常に信頼性が高く、手はんだ付けや検査が非常に簡単です。ボードの側面に沿ってはんだが吸い上げられるため、良好な電流密度も達成できます。

キャステレーションパッドは、基板製造プロセス中に半分にルーティングされたメッキスルーホールとして効果的に機能します。パネルのルーティングツールパスは、ホールの中心を通過し、基板の端に上下にパッドがあるメッキされたスカロップを残します。

出典: DIGI Xbee Pro XB8X on Digi-Key

基板の端にパッドがあることで、ホスト基板のルーティングも容易になり、モジュール基板上のビアやトラックの配置に干渉しません。端のパッドは、任意の層のトラックやプレーンに直接接続でき、これによりモジュール上のインターコネクトパッドへのルーティングが容易になる場合があります。

キャステレーションパッドの設計

キャステレーションパッドを間違えることは難しいですが、成功に導くために考慮すべきいくつかの点があります。キャステレーションパッドの作成が初めての場合、私がこのマルチボード設計で使用しているATWINC1500モジュールのように、メーカーから入手可能な商用モジュールのAltiumファイルをダウンロードすることをお勧めします。商業的に成功しているモジュールのパッドスタックアップとレイアウトを見ることで、自分の実験を始める前に何がうまくいくかについていくつかのアイデアを得ることができます。

非対称パッド

キャステレーションパッドを作成する際、スタックアップはほとんどの場合非対称になります。上層および内層のパッドは通常、スルーホールパッドやビアと同じように丸く、サイズも同様です。しかし、下層のパッドは一般に、より大きな銅面積とはんだ接触面を提供するために拡大されます。これにより、キャステレーションパッドは、はんだペーストをステンシルした基板だけでなく、手はんだ付けにも信頼性を持って使用できます。

エッジメッキ

もし高い電流密度やさらに高い信頼性が必要な場合、スルーホールを超えて基板のエッジにメッキを施すこともできます。このメッキは通常、下層パッドの幅に追加され、モジュールの側面により多くの接触面積を提供します。ほとんどの基板製造業者はこのサービスに追加料金を請求しますが、低コスト高混合の基板製造業者は、製造ノートに気づいたとしても、これを無視することがあります。

良いスタートポイント

エッジスペースに余裕がある場合は、最初のプロトタイプには大きめのパッドから始めてください。プロセスに慣れ、最初のモジュールの結果を見始めると、必要に応じてサイズを小さく最適化していくことができます。

Microchip ATWINC1500 パッド

例として、ATWINC1500モジュール上のMicrochipパッドには、0.635mmのメッキ穴と全層にわたる0.8mmの正方形パッドがあります。さらに、下層には1.7 x 0.8mmの丸パッドが追加されており（下記に左に移動して表示されているように、それらが別であることを示しています）。

Microchipは、ホストボード上に0.8 x 1.9mmのパッドを推奨しており、そのパッドはモジュールのアウトラインの中心に配置されます。

私のキャステレーションパッド

私はいつもMicrochipの上記の例とは少し異なる方法を好んでおり、単一のパッドで完全なパッドスタックを指定することを好みます。

RFモジュール用の私のパッドは、通常、0.4mmのメッキ穴と、0.8 x 1mmの長方形のトップパッドを持っています。ボトムパッドは、0.8 x 2mmで穴の中心に配置され、ボードの下に0.8 x 1mmの露出した銅領域を提供します。これらのパッドのホストボード上の表面実装パッドは、0.8mm幅で、モジュールのアウトラインの下に中心に配置された1.8mmの長さです。

 

低ボリュームのボードで、ほぼ確実に手はんだ付けされるものには、ピン密度が重要でない場所では大きな穴を使用します。これらには1.2mmのめっき穴と、1.5 x 2mmのトップパッド、2.5 x 2mmのボトムパッドがあります。これらは、ボードの下の露出した銅が少なく、大きなめっき穴が側面にあるため、手はんだ付けする際にほとんどのはんだ接触を提供します。

 

独自のモジュール

独自のモジュールを作成する場合、キャステレーションパッドを単一のフットプリント/シンボルとして作成するべきです。これにより、マルチボードプロジェクトの作成が容易になり、また、将来的に単一のパッドやパッドのクラスターが誤って移動し、アライメントの問題が発生するのを防ぐことができます。

ホストボードの設計

TRANSLATE: 前述の通り、以前のセンサーとLCDディスプレイの回路図を使って、スタンドアロンのボードを作成することになります。当初、このボードはWiFiモジュールがSTEPモデルとして組み込まれたライブラリパーツを使用して開発される予定です。多くの企業のライブラリでは、このアプローチをマルチボード設計に利用していますが、それは最適とは言えません。Altiumの印象的なMCADECAD統合を活用することで、モジュールのSTEPモデルをエクスポートして再インポートするよりも、直接ボード設計を行う方が理にかなっています - 特に設計フェーズの初期においては。モジュールとホストボードの要件が進化するにつれて、マルチボードアセンブリを使用することで、すべてが同期されていることを確認できます。

ライブラリコンポーネントを使用してボード設計を完了したら、既存のライブラリベースのマルチボードプロジェクトをフットプリント+マルチボードアセンブリに簡単に切り替える方法をお見せします。

このハードウェアをスタンドアロンで、屋外の気象観測所として動作させるためには、電源が必要です。私は非常に低い電力消費で設定されるSTM32L031Kマイクロコントローラを使用していますが、外部電源なしで一定期間動作し続けることができるようにしたいと考えています。私は12V UPSプロジェクトで使用したのと同じく、二つの18650バッテリーを使用していますが、今回はチップ不足と異なる要件のために異なる充電ICを使用しています。

私は気象観測所を太陽光発電で動かしたいと考えていますが、スコットランドの非常に北部に位置しており、冬には日が5時間しかなく、数日間霧や濃い雲に閉ざされることがあります - 太陽光発電デバイスにとっては決して理想的な条件ではありません。二つの18650バッテリーを使用することで、必要に応じて外部電源なしで約6週間気象観測所を稼働させることができます。また、入力には大容量の6000uFキャパシタを搭載しており、光の条件が変わっても充電器が最適に動作するように助けます。

 

私はプロジェクトでMicrochip MCP73213 二次電池リチウムバッテリーチャージャーICを使用しています。これは広い入力電圧範囲を持っており、太陽光発電または屋内でAC電源を使用する場合にも適しています。また、プログラム可能な電流も特徴です。私は特に、バッテリーの最大充電電圧が8.4Vであるにもかかわらず、8.2V充電モデルを使用しています。これらのバッテリーが年間のほとんどで満充電状態にあると予想しているため、完全な状態よりもわずかに少ない状態で保持することで、寿命が向上するはずです。そして、高容量であるため、容量のわずかな低下は気にならないはずです。充電電流はスライドスイッチを通じて選択可能で、太陽光発電アプリケーションのために低電流に設定することも、必要に応じてACアダプターによる急速充電も可能です。

 

バッテリーが完全に消耗した場合に備えて、バッテリーモニタリングICを使用するのではなく、シンプルな電圧カットオフルートを採用しています。この設計には、リニアレギュレータを使用しており、Analog Devices ADP7105を採用しています。これには、バッテリー電圧が低すぎる場合にレギュレータをオフにするアンダーボルテージロックアウトピンがあります。通常、8.4vの電源から3.3vのデバイスをリニアレギュレータで動かすことは非常に非効率的であり、バッテリー寿命にとっても良くありません。在庫がある高効率の軽負荷スイッチングモードレギュレータを探した結果、リニアレギュレータの方が全体的にはるかに効率的であることがわかりました。

このデバイスでの課題は、WiFiモジュールであり、送信電流が290mAになりますが、10秒ごとにデータを送信する場合、残りの98.5%の時間は電流が低い二桁のマイクロアンペアになる可能性が高く、スイッチングモードレギュレータはこのような低電流での効率が非常に悪くなります。この場合、送信電流の効率低下を受け入れることは、低電流での相対的な効率と信頼性のために十分価値があります。

レイアウトに関しては、潜在的な温度ゾーンごとに別々のグラウンドプアを設け、レギュレータと充電器をボードの上部に、WiFiモジュールと一緒に配置しています。また、これらの潜在的な発熱コンポーネントの周囲には、ボードにスロットを設けて、温度センサーへの熱伝導をさらに遮断しようと試みています。シールドと同様に、温度センサーはボードの底部にあり、独自の熱的に隔離された領域に配置されています。

 

マルチボードアセンブリへの切り替え

これまでのところ、このプロジェクトはRFモジュールにライブラリアイテムを使用していましたが、これは貴社が現在、内部サブアセンブリを扱っている方法かもしれません。MicrochipのウェブサイトからボードのAltiumファイルをダウンロードしました。設計ファイルはキャステレーションパッドすべてに単一のフットプリントを使用しているため、Altium Designerにコネクタがマルチボードプロジェクト用であることを、「System」というパラメータを回路図シンボルに追加し、「Connector」という値を与えることで伝えるだけでした。サブアセンブリボードをマルチボード接続用に準備するのは、それほど簡単です。

 

ホストボードについては、すでにSTEPモデルを含むフットプリントがあったため、少し手間がかかりました。ライブラリからシンボルとフットプリントファイルをプロジェクトフォルダにコピーし、ローカルで変更できるようにしました。

 

フットプリントでは、3Dボディを削除し、その後でフットプリントを回路図シンボルに追加しました。回路図のシンボルを新しいローカルシンボルに変更した後、シンボルにSystem = Connectorパラメータを追加しました。最後に、回路図からPCBドキュメントを更新し、PCB上でPCBライブラリからの更新を実行してフットプリントをリフレッシュしました。

 

PCBは現在、ボディのないフットプリントを持ち、組み立て用のマルチボードコネクタとしてマークされています。

マルチボードプロジェクトの作成

RFモジュールボードをホストボードに追加するには、新しいマルチボードプロジェクトを作成する必要があります。新しいマルチボードプロジェクトの作成は、通常のPCBプロジェクトとほぼ同じですが、プロジェクト作成画面でPCBではなくマルチボードを選択します。

 

次に、マルチボードの回路図と2つのモジュールを追加します。各モジュールにはタイトルが付けられ、プロジェクト/ボードがモジュールに選択されます。

 

以前に設定したコネクタを追加するには、Design -> Import Child Projectsに移動し、これによりコネクタがモジュールに追加されます。

 

次に、2つのモジュール間に直接接続を追加できます。今回、Altium Designerは2つのモジュールの接続を自動的に一致させることができませんでしたので、接続の1つをクリックし、プロパティウィンドウで手動で対応するピンを割り当てることができます。

 

ピンが正しく接続されたら、マルチボードPCBをプロジェクトに追加し、追加されたらすぐに保存します。その後、回路図からDesign -> Update Assemblyに移動し、モジュールをマルチボードPCBにインポートします。ハードウェアの複雑さとこのマシンの仕様によっては、これに時間がかかることがあります。しかし、この比較的シンプルなプロジェクトでは、私のコンピュータでは1秒未満で完了しました。

 

前の記事で使用した結合ツールを使うのではなく、デザインが求める場合にはマルチボードコンポーネントを任意の位置に配置できることを示したいと思います。ラジオモジュールをクリックすると、View Gizmoを使用してホストボード上にドラッグして配置することができます。

 

結果

この記事では、屋内外で使用できるシンプルな気象ステーションとして機能する環境センサーボードを構築し、事前認証済みのRFモジュールサブアセンブリの有用性を示しました。自分のプロジェクトでサブアセンブリモジュールを作成する方法と理由について議論しました。カスタム表面実装モジュールのための静的な3Dモデルではなく、マルチボードアセンブリを使用することで、設計プロセス全体を通じてボードが同期を保ち、ボード間の優れた機械的統合を可能にします。

また、Davis InstrumentsのVantage Pro2気象ステーションも持っているので、この気象ステーションプロジェクトから得られる長期データをNIST校正済みの製品と比較するのが興味深いです。

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ALTIUMについて

Altium LLC (ASX: ALU) は、サンディエゴ、カリフォルニアに本社を置く多国籍ソフトウェア企業で、3D PCB設計および組み込みシステム開発のための電子設計システムに焦点を当てています。Altiumの製品は、世界をリードする電子設計チームから草の根の電子設計コミュニティまで、あらゆる場所で見られます。

独自の技術範囲を持つAltiumは、組織や設計コミュニティが革新し、協力し、接続された製品を創造するのを支援しながら、時間と予算内で作業を続けることができます。提供される製品には、Altium Designer^®、Altium Vault^®、CircuitStudio^®、PCBWorks^®、CircuitMaker^®、Octopart^®、Ciiva^®、そしてTASKING^®組み込みソフトウェアコンパイラの範囲が含まれます。

1985年に設立されたAltiumは、サンディエゴ、ボストン、ニューヨーク市の米国内の拠点、カールスルーエ、アメルスフォールト、キエフ、ツークのヨーロッパ内の拠点、および上海、東京、シドニーのアジア太平洋地域の拠点を持つ世界中にオフィスを構えています。詳細については、www.altium.comを訪問してください。また、Facebook、Twitter、YouTubeを通じてAltiumと交流し、フォローすることもできます。