コンセプトフェーズ - リッドアセンブリデザイン パート2

オープンソースラップトッププロジェクトにおけるリッドアセンブリデザインの旅を続けています。

テストアダプターの設計 — レイアウト

これで、実際のハードウェアデザインに取り組む段階になりました。このボードのレイアウトは直接的で、特に注意を払う必要があるのは高速インターフェースが1つだけです。

DisplayPortインターフェースは仕様により最大20UIまでのディスキューが可能です。UIはUnit Intervalの略で、ビットレートの逆数です。私たちが使用している2.7Gbpsのリンクでは、UIあたり370psを意味します。最大20UIまでのディスキューが可能ですが、ハードウェアチェックリストではペア間スキューの最大値を+/- 1UIまたは740psと推奨しています。

ペア内スキューはさらに重要で、許容されるスキューは10ps未満です。

DisplayPortメインリンク（データペアML0 – ML3の4つ）の差動インピーダンスは100オームで制御する必要があります。

AUXチャネルは、はるかに低速の1MHzで動作します。簡単にするため、PCB設計ルールに関してはAUXチャネルをメインリンクの一部として扱うことにします。

通常、ルーティングルールを設定する際には、レイヤースタックマネージャーで定義されたインピーダンスプロファイルを使用したいと考えます。しかし、このPCBでは、インピーダンス値が既に検証され、PCBメーカーによって提供されているため、この機能を使用していません。

メインリンクの正確な遅延値を得るために、X-シグナルを使用してコネクタからコネクタへの正しい遅延を抽出し、シリーズ抵抗を越えてギャップを埋めることができます。

DPメインリンクのために強調表示されたX-シグナル

クイックチップ＃1 - シルクスクリーン機能の作成

レイアウトに入る前に、DisplayPortコネクタのフットプリントのシルクスクリーン機能を作成するためのクイックチップを共有したいと思います。シルクスクリーンには、その部品を特定しやすくするために、部品のアウトラインやその他の重要な特徴が表示されるべきです。これは、組み立て図面の製造出力用に別のアセンブリ層が使用されていない場合に特に重要になります。

フットプリントエディタでシルクスクリーン機能を手動で描画する代わりに、部品の3Dモデルを準備するために使用されたCADツールからそれらをインポートする方が、はるかに迅速に行えます。

私たちは、シルクスクリーン層に表示したい特徴を含む表面を選択し、これらの表面のDXFファイルをエクスポートするだけです。これで、DXFファイルをAltium Designerにインポートすることができます。3D CADファイルをエクスポートする際に同じ原点を使用したので、シルクスクリーンはコンポーネント3Dモデルに対して自動的に正しく位置付けられます。

CADからシルクスクリーンへのワークフロー、DXFアウトラインを使用して

ボード上のコンポーネントが多くないため、ルーティングはそれほど難しくありません。高速信号のルーティングには、トップとボトムの2つの信号層が利用可能です。内側の2層はグラウンド参照平面になります。信号層をトップからボトムに変更すると参照平面も変わるため、信号ビアの近くにリターンパスビアを配置することを忘れないでください。

トリマ抵抗は、アクセスしやすいようにボードの端に近い場所に配置されます。

テストポイント、0402抵抗のフットプリント、およびESDダイオードは、メインリンク信号線上でインピーダンスの不連続を引き起こします。一般的なDisplayPortルーティングガイドラインでは、テストポイントやコンポーネントのフットプリントの下にグラウンドプレーンのカットアウトを要求していません。これは、適切なシミュレーションツールを使用して最終実装でさらに検証する必要があります。

ルーティングが完了すると、完成したボードはこのようになります：

DPからeDPレイアウトの最終化

ボードコネクタと対応するケーブルコネクタ間に衝突がないことを最後に確認した後、最終的な設計ルールチェックを実行し、ボードの注文を行うことができます。

ボードの組み立て

製造業者からPCBブランクとはんだペーストのステンシルを受け取った後、ついにPCBの組み立てとテストを行うことができます。

このボードには、T4粒子サイズのHenkel GC10はんだペーストを使用します。ステンシルは標準厚さの100umです。このボードに使用されるパッドは比較的大きいです。細ピッチコンポーネントや非常に小さいステンシル開口部を持つコンポーネントの場合、より小さいはんだペースト粒子サイズと薄いステンシルが使用される場合があります。私たちのボードには標準値が適しています。

はんだペースト印刷付きアダプタPCB

はんだペースト上にコンポーネントを配置したアダプタPCB

リフロー用にコンポーネントで満たされたアダプタボード

すべてのコンポーネントを配置した後、蒸気相リフローオーブンでボードをはんだ付けします。蒸気相プロセスを使用することで、非常に優しいはんだ付けプロセスを保証しつつ、どのコンポーネントも過熱されないことを保証します。

これは、DisplayPortコネクタのピン割り当てが一致しないことに気づいたときです。以前、DisplayPortケーブルのピン配置が両端で一対一に一致しないことを述べました。残念ながら、そのためにハードな学習を強いられ、その結果基板が黒から緑に変わりました。

残りのTHTコンポーネントを基板にはんだ付けした後、テストの準備が整いました：

はんだ付けされたアダプターボードDPメインリンク

はんだ付けされたアダプターボード3.3V PSU

フルに搭載されたアダプターボード

ディスプレイパネルのテスト

ついに、ディスプレイのテストを行う時が来ました。PWMジェネレータの機能を確認し、3.3Vレギュレータも問題ないことを確認した後、ディスプレイパネルを接続できます。私のDELL XPS 9500がDisplayPortソースを提供し、統合された電力モニターを備えたラボ電源がアダプターの12V供給を提供します。

パネルを接続すると、適切な画面解像度でDELL XPSによって正しく認識されます。ディスプレイのバックライトを活性化し、対応するジャンパーで自己テストを非活性化すると、パネルが点灯します！

ディスプレイパネルのテストに成功

残念ながら、私がアクセスできる他のラップトップとの比較で、カメラを「測定器具」として使用することしかできません。Photoshopを使用して、他のデバイスとの明るさやコントラスト比を比較するためにいくつかの画像を撮影しました。カメラの位置をディスプレイの中心に対して10°ごとに変更することで、使用可能な視野角の第一印象を得ることができます。より信頼性の高い測定セットアップが準備でき次第、結果を将来のアップデートで共有します。予備的な測定結果と個人的な印象に基づいて、このパネルがオープンソースのラップトッププロジェクトの一部になると言えます！

今回のアップデートはここまでです。お時間をいただき、関心を持っていただきありがとうございます！次回のアップデートでは、ディスプレイの機械的統合だけでなく、ウェブカメラやタッチキーの設計についても詳しく見ていきます。これらのボードについて言えば、これらのコンポーネントの電気設計についても検討します。このアップデートで述べたように、まだ固いマイクロ同軸ディスプレイケーブルをどうにかする方法を見つけなければなりません — これも探求するものです。引き続きご注目いただければ幸いです！