무선 모듈 디자인: EnviroSense WiFi 날씨 관측소 멀티보드

이 멀티 보드 프로젝트 기사에서는 STMicroelectronics Nucleo-64 평가 보드용 Arduino 스타일 쉴드를 만드는 것을 계속해서 진행합니다. 이 프로젝트에서는 모든 것이 훨씬 더 통합되어, 완성된 제품에 한 걸음 더 가까워지고 있습니다. 우리는 마이크로컨트롤러를 우리 보드에 통합하고 배터리, 충전 전력 관리, 무선 네트워킹을 추가할 것입니다. 이 과정에서, 우리는 표면 실장 부품 조립에 대해 이야기하고, 왜 프로젝트 회로도의 일부를 별도의 보드로 분리하여 표면 실장 모듈로 사용하고 싶을 수 있는지에 대해 설명할 것입니다.

이전 기사에서 논의한 바와 같이, 회로도를 여러 보드로 분리하는 여러 가지 이유가 있습니다. 그 기사에서 우리는 주로 위험 감소와 보드 영역의 최적화에 대해 논의했습니다. 표면 실장 모듈은 제품의 부피를 최적화하는 데 큰 도움이 되지 않을 가능성이 크며, 프로토타이핑 목적으로 유용할 가능성도 낮습니다. 표면 실장 모듈은 일반적으로 다른 구성 요소와 마찬가지로 - 심각한 재작업을 하지 않는 한 보드에 영구적으로 고정될 것입니다.

EnviroSense 프로젝트

우리의 EnviroShield 프로젝트는 이번 기사에서 큰 업그레이드를 받고 있습니다 - 우리는 이를 프로토타입 단계에서 벗어나 독립 제품으로 만들고 있습니다. 이상적으로, 이 제품은 수동 방사선 및 습기 차단 기능을 갖춘 기계식 하우징에 완전히 통합될 것입니다 - 하지만 그것은 이 기사의 범위를 넘어섭니다.

직관적인<br />
멀티 보드<br />
시스템 설계

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솔루션 살펴보기

모든 프로젝트와 마찬가지로, 이 프로젝트는 오픈 소스이며 원하는 대로 자유롭게 사용할 수 있습니다. 모든 설계 파일은 GitHub에서 찾을 수 있습니다. 물론, 프로젝트 파일과 관련하여 보증, 보장, 또는 책임은 없으며 MIT 라이선스에 따라 라이선스가 부여됩니다.

이제 실내 및 실외 용도로 의도되었기 때문에, 우리는 날씨 데이터를 데이터베이스로 되돌려 보낼 방법이 필요합니다. 그래서 Microchip ATWINC1500-MR210PB WiFi 모듈을 추가할 것입니다.

이 프로젝트에서는 호스트 보드를 구축하고 있지만, 주로 왜 자체 표면 실장 모듈을 만들고 싶을지에 대해 이야기할 것입니다. Microchip WiFi 모듈은 왜 자신만의 표면 실장 보드를 만들어야 하는지에 대한 완벽한 예입니다.

왜 표면 실장 모듈을 만들까요?

인증

의도적 방사체 인증은 비용이 많이 듭니다. 제품에 맞춤형 무선 모듈 디자인을 구축하는 경우, 라디오 하드웨어를 별도로 인증할 수 있는 자체 하위 조립품으로 이동하는 것이 좋을 수 있습니다. 이러한 맞춤형 라디오 무선 모듈 디자인을 사용하는 여러 제품이 있다면, 사전 승인된 의도적 방사체 모듈을 통합함으로써 훨씬 저렴한 비의도적 방사체 클래스로 인증을 받을 수 있을지도 모릅니다.

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이는 철도, 자동차 또는 의료용 애플리케이션과 같은 인증이 필요한 전압 조정기, 모터 드라이버 또는 LED 드라이버에도 매우 적용될 수 있습니다. 이 프로젝트에서 사용하는 Microchip ATWINC1500 모듈은 이 접근 방식의 완벽한 예입니다. RF 칩을 직접 보드에 통합할 수 있지만, 인증 비용이 상당히 증가할 것입니다.

비용 절감

하드웨어의 일부분만 특수한 PCB 기판, 막히거나 눈먼 비아와 같은 특수 PCB 기능이나 더 높은 레이어 수를 요구한다면, 그 프로젝트의 일부를 자체 하위 조립품으로 이동함으로써 일부 절약을 찾을 수 있습니다. 회로 보드의 비특수화된 영역이 커짐에 따라, 반드시 전부 활용하지 않는 회로 보드 기능에 대해 프리미엄 가격을 지불하게 됩니다.

프로젝트의 전문화된 부분을 분리하는 것은 그 스키마틱 블록을 미래에 훨씬 저렴하고 쉽게 재사용할 수 있게 만듭니다. 기존의 무선 모듈 디자인을 전문화되지 않은 보드에 그대로 배치하여 그 기능을 충분히 활용할 수 있습니다.

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여러 프로젝트에 걸쳐 스키마틱을 재사용하는 경우가 많고, 보드를 설계할 때 상당한 엔지니어링 비용이나 위험이 따른다면, 서브 어셈블리를 만드는 것이 좋은 시기일 수 있습니다. 이의 일반적인 예로는 고성능 또는 고신뢰성 스위치 모드 전압 조절기가 있습니다. 격리된 조절기도 흔히 서브 어셈블리로 분리됩니다.

상당한 엔지니어링 투자가 있는 디자인의 일부를 분리하면, 새로운 회로 보드에 통합된 디자인을 자격을 갖추기 위한 주요 엔지니어링 비용 없이 빠르게 재사용할 수 있습니다.

모듈 표면 장착 전략

자체 표면 장착 모듈을 만들 때, 새 모듈이 호스트 보드에 어떻게 부착될지 고려해야 합니다. 대량의 무선 모듈 디자인을 제작할 계획이라면, 조립 공정과 함께 가장 일반적인 방법 두 가지를 모두 평가하여 가장 높은 신뢰성과 조립 용이성을 결정해야 할 것입니다.

랜드 그리드 어레이

구성 요소를 선택할 때 거의 확실히 Land Grid Arrays (LGA) - IC 또는 어셈블리 아래의 베어 패드를 접하게 되었을 것입니다. 작은 공간에 많은 연결을 해야 하는 경우, LGA는 이상적인 접근 방식일 수 있습니다. 주요 단점은 다른 LGA 구성 요소와 마찬가지로 조인트 검사의 어려움과 프로토타이핑과 관련된 도전입니다. 추가적으로 보드 어셈블리 파트너에게 추가 기계 설정 시간으로 인한 추가 비용이 발생할 수도 있습니다 - 보드 및 어셈블리 파트너를 설계 과정 초기에 참여시키는 것은 신뢰성을 크게 향상시키고 비용을 줄일 수 있습니다.

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출처: U-Blox NORA-B106 on Digi-Key

호스트 및 모듈 보드 모두에서 패드 내 비아를 피해야 납땜에서 공기 주머니가 생기거나 모세관 작용을 통해 납이 빠져나가는 것을 방지할 수 있습니다.

LGA는 또한 모듈 제조에 있어 매우 비용 효과적입니다. 일부 보드 제조업체는 성곽형 패드에 대해 더 많은 요금을 부과할 수 있습니다.

성곽형 패드

많은 상업용 모듈이 모듈에 성곽형 패드를 사용하며 그럴만한 충분한 이유가 있습니다. 성곽형 패드는 매우 신뢰성이 높고 손으로 납땜하고 검사하기 매우 쉽습니다. 보드 측면으로 납이 올라가기 때문에 좋은 전류 밀도를 달성할 수도 있습니다.

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캐스텔레이티드 패드는 기판 제조 과정에서 절반으로 라우팅되는 도금된 관통 홀입니다. 패널의 라우팅 도구 경로는 홀의 중심을 통과하여 기판 가장자리에 상단과 하단에 패드가 있는 도금된 조개 모양을 남깁니다.

출처: DIGI Xbee Pro XB8X on Digi-Key

기판 가장자리에만 패드가 있어 호스트 기판의 라우팅을 쉽게 하며, 모듈 기판의 비아나 트랙 배치에 방해가 되지 않습니다. 가장자리 패드는 모든 레이어의 트랙이나 평면에 직접 연결될 수 있으며, 이는 모듈에서 인터커넥트 패드로의 라우팅을 더 쉽게 할 수 있습니다.

캐스텔레이티드 패드 디자인

캐스텔레이티드 패드를 사용하는 것은 잘못될 일이 거의 없지만, 성공을 위해 고려해야 할 몇 가지 사항이 있습니다. 캐스텔레이티드 패드를 처음 만드는 경우, 제가 이 멀티 보드 디자인에서 사용하고 있는 ATWINC1500 모듈처럼 제조업체에서 제공하는 상용 모듈의 Altium 파일을 다운로드하는 것이 좋습니다. 유사한 클래스의 상용 모듈의 패드 스택업과 레이아웃을 살펴보면 자신만의 실험을 시작하기 전에 어떤 것이 잘 작동하는지에 대한 아이디어를 얻을 수 있습니다.

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비대칭 패드

캐스텔레이티드 패드를 만들 때, 스택업은 거의 항상 비대칭일 것입니다. 상단 및 내부 패드는 일반적으로 어떤 스루홀 패드나 비아와 마찬가지로 둥글고 크기가 정해집니다. 그러나 하단 패드는 일반적으로 구리 면적과 솔더 접촉을 늘리기 위해 확대됩니다. 이로 인해 캐스텔레이티드 패드는 솔더 페이스트를 스텐실로 도포한 보드뿐만 아니라 수작업 솔더링에도 신뢰성 있게 사용될 수 있습니다.

엣지 도금

더 높은 전류 밀도나 더 큰 신뢰성이 필요한 경우, 보드의 가장자리를 관통 홀을 넘어 도금할 수도 있습니다. 이 도금은 일반적으로 하단 패드의 너비에 추가되어 모듈 측면의 접촉 면적을 더 확보합니다. 대부분의 보드 제조업체는 이 서비스에 대해 추가 요금을 부과하며, 저비용 고혼합 보드 제조업체는 제조 노트를 인지하더라도 이를 무시할 수 있습니다.

좋은 시작점

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가장자리 공간이 충분하다면, 초기 프로토타입에 대해 더 큰 패드부터 시작하세요. 프로세스에 대해 더 편안하게 느끼기 시작하고 초기 모듈의 결과를 보면 필요한 경우 크기를 최적화하기 시작할 수 있습니다.

Microchip ATWINC1500 패드

이를 예로 들면, ATWINC1500 모듈의 Microchip 패드는 0.635mm 도금 홀과 모든 레이어에 대한 0.8mm 정사각형 패드를 가지고 있습니다. 그들은 하단 레이어에 추가적인 1.7 x 0.8mm 원형 패드를 가지고 있습니다(아래에 분리되어 있다는 것을 보여주기 위해 왼쪽으로 이동됨).

Microchip은 호스트 보드에 0.8 x 1.9mm 패드를 권장하며, 패드는 모듈 윤곽에 중앙에 위치해야 합니다.

내 캐스텔레이티드 패드

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저는 위의 마이크로칩 예시와는 조금 다르게 일을 해왔습니다. 단일 패드에서 전체 패드 스택을 지정하는 것을 선호합니다.

RF 모듈용 패드는 일반적으로 0.4mm 도금 홀이 있으며, 상단 패드는 0.8 x 1mm 직사각형입니다. 하단 패드는 홀 중심에 0.8 x 2mm로, 보드 아래에 0.8 x 1mm 노출된 구리 영역을 제공합니다. 이 패드들을 위한 호스트 보드의 표면 실장 패드는 너비가 0.8mm이고, 모듈 윤곽 아래 중심에 길이가 1.8mm입니다.

핀 밀도가 중요하지 않은 저볼륨 보드의 경우, 거의 확실히 수작업으로 납땜될 것이므로, 더 큰 홀을 사용할 것입니다. 이들은 1.2mm 도금 홀과 1.5 x 2mm 상단 패드, 2.5 x 2mm 하단 패드를 가지고 있습니다. 이들은 보드 아래에 덜 노출된 구리를 가지고 있으며, 더 큰 도금 홀이 수작업으로 호스트 보드에 납땜할 때 대부분의 납 접촉을 제공할 것입니다.

당신만의 무선 디자인 모듈

자체 모듈을 만들 때, 캐스텔레이티드 패드를 단일 풋프린트/심볼로 생성해야 합니다. 이렇게 하면 멀티보드 프로젝트를 더 쉽게 만들 수 있으며, 미래에 정렬 문제를 일으킬 수 있는 단일 패드나 패드 군이 실수로 이동되는 것을 방지할 수 있습니다.

호스트 보드 설계하기

앞서 언급했듯이, 이전의 센서와 LCD 디스플레이 스키마틱을 독립형 보드로 만들 예정입니다. 처음에는 WiFi 모듈이 STEP 모델로 내장된 라이브러리 부품을 사용하여 개발될 예정입니다. 많은 회사 라이브러리가 멀티보드 디자인에 이 접근 방식을 활용하지만, 이는 최적의 방법은 아닙니다. Altium의 인상적인 MCAD-ECAD 통합을 활용하면, 특히 디자인 단계 초기에 모듈의 STEP 모델을 내보내고 다시 가져오는 것보다 직접 보드 디자인으로 작업하는 것이 더 합리적입니다. 모듈과 호스트 보드 요구 사항이 발전함에 따라, 멀티보드 어셈블리를 사용하면 모든 것이 동기화되어 있는지 확인할 수 있습니다.

라이브러리 구성 요소를 사용하여 보드 디자인을 완료하면 기존의 라이브러리 기반 멀티 보드 프로젝트를 풋프린트 + 멀티 보드 어셈블리로 전환하는 방법이 얼마나 쉬운지 보여드리겠습니다.

이 하드웨어를 독립적으로 운영하고 날씨 보드 디자인 스테이션으로 외부에서 사용할 수 있게 하려면 전원이 필요합니다. 저는 매우 낮은 전력 소비로 구성될 STM32L031K 마이크로컨트롤러를 사용하고 있지만, 필요한 경우 외부 전원 없이도 보드가 계속 작동할 수 있도록 하고 싶습니다. 저는 12V UPS 프로젝트에서와 마찬가지로 두 개의 18650 배터리를 사용하고 있지만, 이번에는 칩 부족과 다른 요구 사항으로 인해 다른 충전 IC를 사용하고 있습니다.

제 기상 관측소 설계를 태양 에너지로 구동하고 싶지만, 저는 겨울에 하루가 5시간밖에 되지 않고 며칠 동안 안개나 짙은 구름에 갇힐 수 있는 스코틀랜드 극북부에 위치해 있어 태양 에너지 장치에는 정말 이상적인 조건이 아닙니다. 필요한 경우 외부 전원 없이도 기상 관측소를 약 6주간 운영할 수 있도록 두 개의 18650 배터리를 사용할 예정입니다. 또한, 변화하는 빛 조건에 대처하고 충전기가 최적으로 작동하도록 돕기 위해 입력 부에는 거대한 6000uF 커패시터를 달았습니다.

저는 프로젝트를 위해 Microchip MCP73213 2셀 리튬 배터리 충전 IC를 사용하고 있습니다. 이것은 태양광 또는 실내에서 AC 전원을 사용할 경우에도 잘 작동하는 넓은 입력 전압 범위를 가지고 있으며, 프로그래밍 가능한 전류를 제공합니다. 저는 특히 제 배터리가 최대 8.4V 충전임에도 불구하고 8.2V 충전 모델을 사용하고 있습니다. 이 배터리들이 1년 중 대부분 완전 충전 상태에 있을 것으로 예상하기 때문에, 완전 충전 상태보다 약간 낮은 상태로 유지하는 것이 수명을 향상시킬 것이라고 생각하며, 높은 용량을 갖고 있기 때문에 용량의 소폭 감소는 눈에 띄지 않을 것입니다. 충전 전류는 슬라이드 스위치를 통해 선택할 수 있어 태양광으로 구동되는 애플리케이션의 경우 낮은 전류로 설정할 수 있고, 필요한 경우 AC 어댑터로 빠르게 충전할 수 있습니다.

배터리 모니터링 IC를 사용하는 대신, 배터리가 완전히 방전될 경우 간단한 전압 차단 방식을 사용하고 있습니다. 이 설계에는 리니어 레귤레이터인 Analog Devices ADP7105를 사용하고 있는데, 배터리 전압이 너무 낮아지면 레귤레이터를 끄는 Under Voltage Lock Out 핀이 있습니다. 일반적으로 8.4v 공급원에서 3.3v 장치를 리니어 레귤레이터로 작동시키는 것은 매우 비효율적이며 배터리 수명에도 좋지 않다고 여겨집니다. 재고가 있는 고효율 경부하 스위치 모드 레귤레이터를 많이 찾아본 후, 리니어 레귤레이터가 전반적으로 훨씬 더 효율적이라는 것을 발견했습니다.

이 장치에서 스위치 모드 레귤레이터의 도전 과제는 290mA의 전송 전류를 소모하는 WiFi 모듈입니다. 그러나, 데이터를 10초마다 전송한다면 나머지 98.5%의 시간 동안 전류 소모는 낮은 두 자릿수 마이크로암페어 수준일 가능성이 높으며, 스위치 모드 레귤레이터는 이러한 상황에서 정말로 어려움을 겪습니다. 이 경우, 전송 전류에 대한 효율성 손실을 감수하는 것이 낮은 전류에서의 상대적 효율성과 신뢰성을 위해 매우 가치가 있습니다.

레이아웃 측면에서, 저는 각각의 잠재적 온도 구역을 위해 별도의 접지면을 가지고 있으며, 레귤레이터와 충전기를 보드의 상단에 WiFi 모듈과 함께 배치했습니다. 또한, 온도 센서의 열 전도성을 더욱 분리하기 위해 이러한 잠재적 발열 부품 주변에 보드에 슬롯을 만들었습니다. 방패와 마찬가지로, 온도 센서는 보드의 하단에 자체 열적으로 격리된 영역에 있습니다.

멀티 보드 어셈블리로 전환하기

지금까지 이 프로젝트는 RF 모듈에 대한 라이브러리 항목을 사용해 왔으며, 이는 귀사가 현재 내부 서브 어셈블리를 다루는 방식일 수 있습니다. 저는 Microchip의 웹사이트에서 보드의 Altium 파일을 다운로드했습니다. 설계 파일이 캐스텔레이티드 패드에 대해 단일 풋프린트를 사용하기 때문에, 저는 Altium Designer에 이 커넥터가 멀티 보드 프로젝트용임을 알리기 위해 스키매틱 심볼에 “System”이라는 파라미터를 추가하고 그 값으로 “Connector”를 주는 것만으로 충분했습니다. 서브 어셈블리 보드를 멀티 보드 연결에 준비하는 것은 그렇게 간단합니다.

호스트 보드의 경우 이미 STEP 모델이 포함된 풋프린트가 있었기 때문에 조금 더 많은 작업을 해야 했습니다. 라이브러리에서 심볼과 풋프린트 파일을 프로젝트 폴더로 복사하여 수정할 수 있는 로컬 복사본을 만들었습니다.

풋프린트에서는 3D 바디를 삭제한 다음, 풋프린트를 스키매틱 심볼에 추가했습니다. 스키매틱의 심볼을 새로운 로컬 심볼로 변경한 후, 심볼에 System = Connector 파라미터를 추가했습니다. 마지막으로, 스키매틱에서 PCB 문서를 업데이트하고, PCB에서 PCB 라이브러리에서 업데이트를 실행하여 풋프린트를 새로 고쳤습니다.

이제 PCB는 바디가 없는 풋프린트를 가지고 있으며 조립을 위해 준비된 멀티 보드 커넥터로 표시됩니다.

멀티 보드 프로젝트 생성

RF 모듈 보드를 호스트 보드에 추가하려면 새로운 멀티 보드 프로젝트를 생성해야 합니다. 새로운 멀티 보드 프로젝트를 생성하는 것은 일반 PCB 프로젝트와 거의 같지만, 프로젝트 생성 화면에서 PCB가 아닌 멀티 보드를 선택합니다.

다음으로, 멀티 보드 스키매틱과 두 개의 모듈을 추가합니다. 각 모듈에는 제목이 주어지며 모듈에 대한 프로젝트/보드가 선택됩니다.

앞서 설정한 커넥터를 추가하기 위해 디자인 -> 자식 프로젝트 가져오기로 이동하면 모듈에 커넥터가 추가됩니다.

그런 다음 두 모듈 사이에 직접 연결을 추가할 수 있습니다. 이번에는 Altium Designer가 두 모듈의 연결을 자동으로 매칭할 수 없었으므로, 연결 중 하나를 클릭하고 속성 창에서 수동으로 메이팅 핀을 지정할 수 있습니다.

핀이 올바르게 메이팅되면, 멀티 보드 PCB를 프로젝트에 추가하고 추가되자마자 저장할 수 있습니다. 그런 다음 스키매틱에서 디자인 -> 어셈블리 업데이트로 이동하여 멀티 보드 PCB에 모듈을 가져옵니다. 하드웨어의 복잡성과 이 기계의 사양에 따라 시간이 다소 걸릴 수 있습니다. 하지만 이 비교적 간단한 프로젝트의 경우, 제 컴퓨터에서 1초 미만이 걸렸습니다.

이전 기사에서 사용한 결합 도구를 사용하는 대신, 설계가 요구하는 대로 멀티 보드 구성 요소를 원하는 위치에 임의로 배치할 수 있음을 보여주고 싶습니다. 라디오 모듈을 클릭하면 View Gizmo를 사용하여 호스트 보드 위에 드래그하여 배치할 수 있습니다.

결과

이 기사에서는 실내 또는 실외용 간단한 기상 관측소로 사용될 수 있는 환경 센서 보드를 구축했으며, 사전 인증된 RF 모듈 하위 조립품의 유용성을 보여주었습니다. 자체 프로젝트를 위해 하위 조립 모듈을 생성하는 방법과 이유에 대해 논의했습니다. 멀티 보드 조립을 사용하면 보드가 설계 과정 내내 동기화되어 있도록 보장하고, 보드 간에 우수한 기계적 통합을 가능하게 하여, 라이브러리의 정적 3D 모델 대신 사용자 정의 표면 실장 모듈에 대해 확실한 이점을 제공합니다.

저는 또한 Davis Instruments Vantage Pro2 기상 관측소를 가지고 있으므로, 이 기상 관측소 프로젝트에서 장기 데이터와 NIST로 보정된 제품을 비교하는 것이 흥미로울 것입니다.

멀티 보드 조립이 어떻게 시간을 절약하고 생산성을 향상시킬까요? 지금 Altium의 전문가와 상담하여 알아보세요.