nRF52 MCUをPCBで使い始める方法

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ほとんどの半導体メーカーは、独自のマイクロコントローララインを開発し、リリースしていますが、Nordic Semiconductorも例外ではありません。彼らの最もよく知られている製品の一つが、統合トランシーバを備えたRF対応のSoCであるnRF52です。このコンポーネントは小さく、高いI/O数を提供し、細ピッチBGAパッケージで提供される部品番号があります。

この記事では、nRF52の細ピッチBGAパッケージバージョンを使用したPCBレイアウトの例を示します。記事の最後には、このプロジェクトのソースファイルをダウンロードする機会があります。それでは、nRF52を含むPCBレイアウトの例から始めましょう。

このコンポーネントの設計プロセス全体を見たい方のために、nRF52をPCBレイアウトで使用するプロセスをガイドする以下のプレイリストを作成しました。具体的には、HDI設計技術がいくつか必要な設計で、このコンポーネントの高密度（0.35 mmボールピッチ）バージョンを使用する方法をカバーします。また、nRF52モジュールの最終バージョンに至るまでの全エンジニアリングの旅も紹介します。

フロントエンド設計

nRF52は、小型フォームファクタでいくつかの異なるパッケージで提供されます。このチップは、適度なピン数と標準的なデジタルインターフェースを備え、デバイスでUSBを使用する能力を含む、Bluetooth対応マイクロコントローラとして人気があります。Bluetooth 5接続を備えた小型組み込みデバイスをターゲットとしています。

このプロジェクトで使用するコンポーネントは、93ピンWLCSPでBGAフットプリントを持つnRF52840-CKAA-R7です。このプロセッサは、放送していないときに低電力で動作することで知られているため、小型のバッテリーで使用することが可能です。このシステムには、バッテリー電源で成功裏に動作できるように、バッテリーのレギュレーションと極性保護回路を追加します。

nRF52840 WLCSPフットプリント

以下に示すのは、nRF52840-CKAA-R7のフットプリントです。ボール間の計測バーは、ピッチが0.35 mmであることを示しています。これは非常に細かいピッチであり、HDI設計で使用される設計技術がいくつか必要になります。

その他の重要なコンポーネント

このコンポーネントのピン配置とファンアウトについては、以下のセクションのいずれかで詳しく説明します。とりあえず、設計に現れるいくつかの他のコンポーネントがあります：

• TPS70933DBVR - 低電流リニアレギュレータ
• FR015L3EZ - 低側逆極性保護装置
• BD33HC0MEFJ-ME2 - 3V3/1Aロジック回路用レギュレータ
• PCF8523TK - I2Cインターフェース付きリアルタイムクロック(RTC)
• CAT24C512WI-GT3 - 512 KB EEPROM

このデバイスは初めに標準的な2ピンコネクタを通じてLiPoバッテリーに接続する必要があり、I/Oへのアクセスとボードのプログラミングのために少なくとも1つのヘッダーを含める必要があります。I/Oの数は通常、単一のヘッダーに収めるよりも多いため、I/Oへのアクセスのためだけに2番目のヘッダーを含めるかどうかは判断の問題です。今のところ、バッテリーコネクタと単一のI/Oヘッダーで進め、後で別のコネクタを追加することもできます。

入門：回路図

このデバイスの回路図はそれほど複雑ではなく、すべての回路は単一ページに収まります。全体の設計が明確で読みやすいように、回路図の異なる領域を個別に示します。

まず、電源セクションを見てみましょう。このデバイスでは、3V3電源は低ノイズ、低電流LDOによって供給され、定格電流出力は150 mAです。LDOはバッテリー電源（VBAT）を入力として受け取り、これを望ましい3V3出力に変換します。

VBATとVDD1のネット接続に基づいて、ボードに電力を供給する方法が2つあることがわかります：

• ピンヘッダーなどを通じてVDD1に直接3V3を適用する
• コネクタのいずれかを通じてVBATネットに直接電圧を適用する

前者の場合、MCUとRTCのみに電力が供給され、周辺機器には電力が供給されません。後者の場合、システム全体に電力を供給し、VDD1は入力ではなく出力になります。

2番目のレギュレータがネットVDD2用に3V3の電力を供給していることに気づくでしょう。このレギュレータには有効ピンが含まれているため、デバイスは最初にVDD1を使用して起動し、その後、周辺機器（この場合はEEPROM）をVDD2を使用して起動することができます。これにより、デバイスは使用されていないときに周辺機器をオフにする機能を持つことができ、VDD2_ENABLEピンを切り替えることで実現します。デバイスの起動に中心的ではない他の周辺機器をこの設計に含めたい場合は、それらをVDD1ではなくVDD2に接続したいでしょう。

次に、nRF52840の接続を見てみましょう。これらはNordicの開発ボードから借用されたもので、そのコンポーネントの元の接続セットは、彼らのAltium設計ファイルでアクセスできます。

ここでは、いくつかのインターフェースを分けており、サポート回路は主に参照クリスタルといくつかのキャパシタで構成されています。キャパシタは、大型ケースのバルクデカップリング用から、VDD1レールのバイパス用の小型ケース（0201）までの範囲があります。このコンポーネントにはまだたくさんのピンが残っており、これらは他の周辺機器に使用できます。最終的に、追加のI/OとSPIインターフェースのいくつかを、ビデオシリーズで後ほど示されるようにピンヘッダーに分けます。

E1ピンを見てみると、アンテナ接続があります。最初に、参照設計の元の回路図とレイアウトから始めて、このインピーダンスマッチングネットワークは異なる出力キャパシタの値を使用していました。下に示されたインピーダンスマッチングネットワークは、オンライン計算機でアンテナのインピーダンスを逆エンジニアリングし、マッチングネットワークを対称になるように変更することで決定されました。参照設計の0.8 pF出力キャップを下に示された1.2 pF出力キャップと交換すると、実質的に同じ性能が得られます。

これで基本的に回路図のキャプチャ部分は終了し、残りの回路は実装が簡単です。これでPCBレイアウトに移ることができます。

PCBレイアウト

PCBレイアウトに入ると、nRF52840をWLCSPで使用するために完了する必要があるいくつかの重要なタスクがあります：

• スタックアップとBGAファンアウトを決定する
• アンテナを印刷要素として配置する
• RFセクションと干渉しないように他のICを配置してルーティングする

スタックアップとファンアウト

スタックアップとファンアウト戦略の主な要因は、nRF52パッケージ上のボールピッチです。読者は上記でボールピッチが0.35 mmであることに気づくかもしれません。私のフットプリント内のパッドサイズは0.212 mmで、これはBGAフットプリントに関するIPC基準を考慮すると適切なサイズです。パッド間の対角距離は0.495 mmです。これらの測定値は以下に示されています。

内側のピンにルーティングするためにスルーホールビアを使用したドッグボーンファンアウトを試みた場合、ビアと隣接するパッドの間に約1-2ミルのスペースしか残されないでしょう。これは、ほとんどの製造業者が適切にエッチングするには小さすぎます。また、約4ミルの非常に小さいドリルサイズと、8から9ミルの直径のパッドが必要になります。これらの値は標準的な製造内で機能するには小さすぎます。

したがって、内層に到達するために、ビア・イン・パッド ファンアウトを盲ビアと埋め込みビアで使用しました。パッドサイズが約8.3ミルであるため、8ミルのパッドを持つ4ミルの盲ビア/埋め込みビアを使用できます。アスペクト比を1:2に保つためには、盲ビア/埋め込みビアを持つ外層のために4ミルの層厚さが必要になります。これにより、下に示すように合計6層が得られます。

コンポーネントとアンテナの配置

スタックアップとファンアウトを終えた後、このボードの初期配置を以下に示します。残りの接続を完了する前に、電力ルーティング用のいくつかのポリゴンを含めました。6ピンヘッダーの初期配置は、プログラミングと電圧の読み取りに使用されました。次に考慮すべき点はアンテナの配置であり、最後に、コネクタへのI/Oブレイクアウトで締めくくることができます。

この設計では、印刷アンテナを使用して無線信号を送受信します。nRF52にとって印刷アンテナを配置する最適な場所はボードの端です。これにより、アンテナをデジタルセクションの邪魔にならないように保つことができます。アンテナはnRF52840のE1ピンに接続します。

nRF52リファレンスデザインを見ると、他のデザインに組み込むことができるプリントアンテナの例が提供されていることがわかります。このアンテナは四分の一波長アンテナであり、アンテナの長さを計算し、2.45 GHz信号の波長と地面のないマイクロストリップ構成で比較することによって、これを確認することができます。上記の回路図に示されているインピーダンスマッチングネットワークは、このボードのスタックアップの違いを考慮しても、十分なマッチングを提供するはずです。

SWDプログラミングヘッダーとI/Oヘッダー

このボードを製造することにした場合、プログラムする必要があります。nRF52840のドキュメントには、以下の4ピンを使用してSWDIOプロトコルを通じてデバイスをプログラムするガイドが提供されています：

• VDD（システム電源）
• SWDIO（J2）
• SWDCLK（H2）
• GND

したがって、多くのマイクロコントローラーボードをプログラムするために使用される標準的なケーブルであるSWDヘッダーに1x6ピンヘッダーを交換しました（私のラボにもいくつかのSWDケーブルがあります）。nResetピン（K6）はプログラミングにはオプションですが、VBAT接続とともにSWDヘッダーピンアウトに含めることにします。私のSWDヘッダー上の最終的なピンアウトは以下の通りです。

このタイプのデバイスに私が好んで使用するプログラマーは、ASIX.netから入手可能なPRESTOプログラマーです。このプログラマーは、nRF52840やその他のNordic製品を含む長いデバイスリストをサポートしています。PRESTOのケーブル用にカスタムピンアウトを作成する必要がありますが、フライングリードを使用すればこれは十分に簡単です。

次に、追加のI/Oをブレイクアウトできるように、最初に選んだ1x6ヘッダーを2x7ヘッダーに交換することにしました。ヘッダーはボードの左上隅に配置されました。これらのI/Oには22オームの直列抵抗を追加し、ボードに入るか出る信号を遅らせ、これらの接続でEMIが問題になる場合に備えました。これらが不要であることが判明した場合、いつでも0オームの抵抗に交換することができます。

最終レイアウト

以下の画像に示されているのは、最終化されたPCBレイアウトです。いくつかのロゴを追加し、ボードの右下部分に部品番号を設定し、ピンヘッダーの下半分に沿ってI/Oライン上の抵抗器を整列させました。また、シルクスクリーン上の最終的なクリーンアップも行い、すべての指定子が明確で重複がないようにしました。この時点で、設計は最終的なDRCを通過し、生産の準備が整いました。

ソースファイルと将来の改訂

いくつかの場所でルーティングを改善してI/Oアクセスをクリーンアップすることは可能ですが、ボードは機能的であり、その出来栄えに満足しています。追加できる機能としては、USBコネクタとUSB充電管理ICを追加することで、デバイスをUSBプラグの標準5Vバスから充電できるようにすることが挙げられます。

デザインに追加できる別のコンポーネントは、nRF52シリーズのMCUにWiFiアクセスを提供するNordicのコンパニオンICです。昨年の2022年8月に、NordicはnRFシリーズの最新版、nRF7002のリリースを発表しました。このSoCは、nRF52やnRF53製品のコンパニオンとして、超低消費電力でデュアルバンドWiFi 6サポートを提供します。このコンパニオンICについて、今後のプロジェクトとビデオで詳しく見ていきます。

とりあえず、このリンクをクリックしてZIPアーカイブをダウンロードしてください。プロジェクトのソースファイルにアクセスするには、上記の埋め込み内のダウンロードリンクも使用できます。

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