CP2102 USB에서 UART 모듈 PCB 설계 프로젝트

여기를 클릭하세요하여 뷰어 임베드로 이동하고 이 프로젝트를 탐색하세요

제가 작업하는 제품군 중 일부는 RS-232 또는 UART를 통한 부팅 및 구성이 필요하며, 저는 프로토타입을 노트북에 연결하여 부팅하는 것을 선호합니다. 하지만, 그 인터페이스에 접근하기 위해서는 COM 포트를 통해 데이터를 보내고 받아야 합니다. 불행히도, 제 노트북에는 USB 포트만 있어서 USB 포트와 UART 인터페이스 간에 변환해야 합니다. 보통 저는 온라인으로 구매할 수 있는 작은 인터페이스 변환 모듈을 사용합니다.

온라인에서 찾은 변환기들은 품질이 꽤 낮고 충격이나 과전압으로 쉽게 고장나는 경향이 있습니다. 과전압 보호를 제공하기 위해, USB 2.0 라인용 인기 있는 인터페이스 변환기 구성요소인 CP2102를 사용하여 USB에서 UART 브리지를 설계하는 방법을 보여드리겠습니다. 이 프로젝트에 대한 전체 튜토리얼은 다음 비디오에서 시청할 수 있습니다.

• 설계 파일로 이동하려면 여기를 클릭하세요

아마도, 왜 이러한 회로를 직접 프로토타입에 배치하고 USB 케이블로 프로토타입의 UART 인터페이스에 접근하지 않느냐고 궁금해할 수 있습니다. 이는 타당한 질문입니다. 이에 대한 두 가지 이유가 있습니다:

1. 모든 임베디드 제품이 USB를 지원하는 것은 아니지만, UART 인터페이스가 없는 임베디드 제품을 만든 적이 거의 없다고 기억합니다.
2. 모든 단일 프로토타입에 데이터 변환 칩이 있는 추가 USB 포트를 배치하는 것은 추가 작업이 필요하고 공간을 차지합니다. UART 라인을 위한 2핀 헤더를 그냥 배치하는 것이 더 간단합니다.

이런 점을 염두에 두고, CP2102 USB에서 UART 변환기를 위한 작은 모듈 작업을 시작해 보겠습니다.

CP2102 시작하기

Silicon Labs의 CP2102는 USB와 UART 인터페이스를 연결하는 컴팩트한 인터페이스 변환 모듈입니다. USB에 연결해야 하는 시스템에 이 구성 요소를 선호하는 이유는 터미널 애플리케이션(저는 TeraTerm을 사용합니다)을 통해 COM 포트를 통해 접근할 수 있게 해주는 칩에 대한 준비된 드라이버가 있기 때문입니다. 이 칩은 Amazon이나 Alibaba에서 찾을 수 있는 USB-to-serial 변환기에 사용되는 많은 칩 중 하나입니다.

CP2102는 QFN-28 패키지로 제공되며 몇 가지 유용한 기능을 포함하고 있습니다:

• 저전압 장치에 전력을 공급하기 위한 통합 +5V에서 +3V3까지의 레귤레이터
• 제품 데이터를 구현하기 위한 프로그래머블 ROM
• 간단한 선택적 리셋 핀 및 회로
• 통합 클록으로 외부 크리스털이 필요 없음
• +3V3 입력으로 전원을 공급하는 옵션
• USB 2.0을 통한 데이터 전송

또한, 마이크로컨트롤러와 같은 프로세서와 동일한 보드에서 사용될 때 지시자나 제어 핀으로 작동하는 선택적 핀 뱅크도 있습니다. 이러한 핀은 GPIO에 의해 제어될 수 있습니다. 이 모듈은 어떤 마이크로컨트롤러와도 독립적으로 작동하기 때문에 이러한 핀이 필요하지 않습니다.

회로도

이 프로젝트의 설계 목표는 간단합니다: 설계는 UART 데이터, 전원, 그라운드를 핀 헤더에 출력할 것입니다. 설계는 표준 USB 포트 뱅크에 맞게 해야 합니다. 마지막으로, CP2102와 호스트 장치에 최대 과전압 보호를 제공하기 위해 데이터 라인과 +5 V 버스 라인에 추가적인 과전압 보호를 추가할 것입니다.

먼저, CP2102의 응용 회로를 간단히 살펴보겠습니다(데이터시트의 15페이지).

회로도는 일반적으로 아래에서 논의할 몇 가지 추가 사항과 함께 이 응용 회로를 따를 것입니다. 우리는 이 모듈을 보드에서 다른 디지털 구성 요소 없이 사용하기 때문에, 응용 다이어그램에 명시된 개별 커패시터 외에 추가 전원 버스 커패시턴스에 대해 걱정할 필요가 없습니다. 이와 유사한 구성 요소를 사용하는 다른 모듈을 살펴보면, 같은 유형 및 수의 커패시터를 볼 수 있습니다.

TVS 다이오드

이 응용 다이어그램에서는 USB 라인에 TVS 다이오드를 배치하기 위한 전형적인 권장 사항을 볼 수 있습니다. 그들이 추천하는 부품은 Littlefuse SP0503BAHT 또는 동등한 것입니다. 처음에는 이 구성 요소에 대해 0402 단방향 TVS 다이오드를 배치했습니다. 아래에서 논의하듯이, 이것은 지금 당장은 임시 자리 표시자일 뿐이며 최종 조립에서 교체될 것입니다.

이번 반복에서는 외부 트랜시버 회로나 리셋 핀을 사용하지 않을 것입니다. 대신, 화면 왼쪽에 있는 회로만 사용할 것입니다. 또한 UART Rx 및 Tx 라인에 TVS 다이오드를 추가할 것입니다. 이 라인에서 예상할 수 있는 최대 전압 수준은 VDD - 0.8 V입니다. 최대 VDD = 3.6 V일 때, 최대 UART 라인 전압은 2.4 V가 될 것입니다.

UART 라인에 가능한 최대 보호를 제공하기 위해, 더 작은 분석 임계값을 가진 TVS 다이오드를 배치할 수 있습니다. 권장되는 TVS 다이오드는 5.5 V까지만 보호하는데, 이는 CP2102의 I/O에 대한 과전압 등급 바로 아래입니다. 더 작은 TVS 다이오드를 사용하는 위험은 더 낮은 클램프 전압을 가지며 더 높은 전압의 ESD 펄스를 견딜 수 없을 것이라는 점입니다.

최종화된 회로도는 아래에 나타나 있습니다. 이 장치는 간단하며 본질적으로 응용 회로를 따릅니다. 저는 USB 커넥터(VBUS net)에서 모듈로 들어오는 +5V 전원을 사용하는 방식을 채택했으며, 이를 CP2102의 레귤레이터 입력에 전달했습니다. +5V 전원과 출력 +3V3 전원은 모두 핀 헤더에서 접근할 수 있으며, USB 2.0 표준의 전력 제한까지 외부 장치를 구동하는 데 사용할 수 있습니다.

PCB 레이아웃

PCB 레이아웃은 두 개의 레이어로 구축될 것이며, 모든 구성 요소는 상단 레이어에 배치될 것입니다. PCB 레이아웃은 충분히 작아서 USB 라인의 고속 라우팅을 반드시 요구하지는 않지만, 이러한 유형의 보드에서 어떻게 수행될 수 있는지 간단한 예로 여기서 구현할 것입니다. 이 보드는 충분히 간단하여 네 개의 레이어에 배치될 필요가 없으며, USB 라우팅 요구 사항은 공평한 차동 라우팅으로 충족될 수 있습니다.

초기 배치는 두 부분으로 나뉩니다. USB 커넥터와 USB 라인을 위한 TVS 다이오드는 보드의 왼쪽에 배치되며, 핀 헤더와 다이오드 D4 및 D5는 보드의 오른쪽에 배치됩니다. PCB 레이아웃의 왼쪽 부분에 대한 배치는 아래에 나와 있습니다.

핀 헤더 쪽의 초기 배치는 아래에 나와 있습니다. 모듈이 낮은 프로파일을 가지도록 보드 가장자리에서 벗어나는 오른쪽 각도의 핀 헤더를 사용했습니다. 이를 통해 표준 플라잉 리드나 100 mil 피치 케이블을 사용하여 다른 보드에 연결할 수 있습니다. 처음에는 +5 V 전원(VBUS 넷)이 상단에서 핀 헤더로 라우팅되도록 설정되었지만, 라우팅을 단순화하기 위해 나중에 하단으로 변경되었습니다.

보드 양쪽 가장자리에 부품을 배치하는 것은 간단하며, 여기서 중요한 점은 캡(C1-C4)을 각각의 전원 핀에 가깝게 유지하는 것입니다. D4와 D5의 배치는 U1과 P1 사이가 될 것이지만, 라우팅을 시작한 후에 이들의 위치를 결정할 것입니다. 그래서 그들 주변의 라우팅이 지저분해지지 않도록 할 수 있습니다. 이 배치로 USB 라우팅은 이제 커넥터(J1)로 바로 갈 수 있습니다. 다음 포인트는 이 2층 보드에서 USB 트레이스 폭과 간격을 계산하는 것입니다.

비용 최소화를 기반으로, 보드는 표준 두께인 62 mils로 설정되어야 합니다. 뒷면은 그라운드 푸어가 될 것이고, 윗면은 차동 쌍을 위해 공평한 라우팅을 사용할 것입니다. L1의 나머지 부분은 구리 푸어를 가질 것입니다. 저는 스택업에서 기본 Dk 설정인 4.8을 사용했는데, 이는 제가 선택한 제작소의 2층 PCB에 대한 표준 값에 매우 가깝습니다. 임피던스 설정은 아래에 표시되어 있습니다.

여기에서는 쌍 사이의 간격과 L1에서 구리 푸어(copper pour)까지의 거리를 이용하여 목표값에 맞는 차동 임피던스를 설정하고 있습니다. 너비 값은 CP2102의 패드 크기에 기반하여 설정되었으며, U1의 풋프린트로 라우팅을 좁히고 싶지 않습니다. 이러한 설정을 통해 커넥터로 차동 쌍을 라우팅하고 레이아웃을 완성할 수 있습니다.

완성된 PCB 레이아웃은 아래에 표시되어 있습니다. 모듈을 미니어처화하고 싶다면 삭제할 수 있는 여분의 길이가 여기에 있습니다. 측정 도구(Ctrl + M)를 사용하여, 보드의 오른쪽 절반에 있는 구성 요소들을 잡고 USB 커넥터에 더 가깝게 이동시키면 대략 400-500 mils의 길이를 줄일 수 있을 것으로 추정합니다.

현재 이 모듈의 크기는 온라인에서 구입할 수 있는 다른 모듈과 비슷하므로 위의 포인트는 중요하지 않습니다. 이 프로젝트에서 구현할 수 있는 세 가지 다른 개선 사항이 있습니다:

• UART Rx 및 Tx 라인과 병렬로 작은 SMD 표시 LED를 추가하여 데이터 전송의 시각적 지시기를 제공합니다
• 3V3 라인에 역전압 보호를 추가합니다; USB 라인에 사용된 것과 동일한 구성 요소를 여기에 사용할 수 있습니다
• 작은 스위치가 있는 리셋 회로를 추가합니다

이 배치를 생산에 투입하고, 보드가 올바르게 작동하는지 확인하기 위해 일부 테스트를 거칠 예정입니다. 다른 비디오와 블로그에서 설명할 것처럼, 양방향 보호를 제공하고 SP0503BAHT 사양에 더 가까운 대체 다이오드인 TPD1E10B06DPYR로 조립 시 다이오드를 교체할 가능성이 높습니다.

이 링크를 따라 프로젝트 소스 파일이 포함된 ZIP 아카이브를 다운로드할 수 있습니다. 위의 내장 링크에서 소스 파일에 접근하기 위해 다운로드 링크를 사용할 수도 있습니다.

작은 모듈을 빠르게 생성하고 제조 준비를 하고 싶을 때는 Altium Designer®의 2D 및 3D CAD 도구를 사용하세요. 디자인을 마치고 제조업체에 파일을 릴리스하고 싶을 때는 Altium 365™ 플랫폼이 협업하고 프로젝트를 공유하기 쉽게 해줍니다.

Altium 365에서 Altium Designer를 사용하면 가능한 일의 표면만 긁어냈습니다. 지금 바로 Altium Designer + Altium 365의 무료 체험을 시작하세요.