nRF52 MCU를 PCB에서 시작하기

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대부분의 반도체 제조업체들은 자체적인 마이크로컨트롤러 라인을 개발하고 출시했으며, 노르딕 세미컨덕터도 예외는 아닙니다. 그들의 가장 잘 알려진 제품 중 하나는 통합 트랜시버를 갖춘 RF 기능이 가능한 SoC인 nRF52입니다. 이 구성요소는 작고, 높은 I/O 수를 제공하며, 미세 피치 BGA 패키지로 제공되는 부품 번호를 가지고 있습니다.

이 글에서는 nRF52의 미세 피치 BGA 패키지 버전을 사용하는 PCB 레이아웃 예를 보여드리겠습니다. 글의 마지막에서는 이 프로젝트의 소스 파일을 다운로드할 기회를 갖게 됩니다. 더 이상 지체하지 않고, nRF52를 포함한 예시 PCB 레이아웃을 시작해 보겠습니다.

이 구성요소의 전체 설계 과정을 보고 싶어하는 시청자를 위해, nRF52를 PCB 레이아웃에 사용하는 과정을 안내하는 다음 재생목록을 만들었습니다. 특히, HDI 설계 기술이 필요한 디자인에서 이 구성요소의 고밀도(0.35 mm 볼 피치) 버전을 사용하는 방법을 다룹니다. 또한, nRF52 모듈의 최종 버전에 이르기까지의 전체 엔지니어링 여정을 보여드릴 것입니다.

프론트엔드 디자인

nRF52는 소형 폼 팩터로 몇 가지 다른 패키지로 제공됩니다. 이 칩은 중간 핀 수와 표준 디지털 인터페이스를 포함하여 USB를 장치에서 사용할 수 있는 능력으로 인해 Bluetooth 기능을 갖춘 마이크로컨트롤러로 인기를 얻었습니다. 이 구성 요소는 Bluetooth 5 연결성을 갖춘 소형 임베디드 장치를 대상으로 합니다.

이 프로젝트에서 사용할 구성 요소는 nRF52840-CKAA-R7로, BGA 풋프린트를 가진 93핀 WLCSP입니다. 이 프로세서는 방송하지 않을 때 저전력으로 작동하는 것으로 알려져 있어 작은 배터리로 사용할 수 있습니다. 이 시스템을 위해 배터리 규제 및 극성 보호 회로를 추가하여 배터리 전원으로 성공적으로 작동할 수 있도록 할 것입니다.

nRF52840 WLCSP 풋프린트

아래에는 nRF52840-CKAA-R7의 풋프린트가 표시되어 있습니다. 볼 사이의 측정 막대는 피치가 0.35 mm임을 보여줍니다. 이는 매우 세밀한 피치이며 HDI 디자인에서 사용되는 일부 설계 기술이 필요할 것입니다.

기타 중요 구성 요소

이 구성 요소의 핀아웃과 팬아웃에 대해서는 아래 섹션 중 하나에서 다룰 것입니다. 지금은 디자인에 나타나는 여러 다른 구성 요소가 있을 것입니다:

• TPS70933DBVR - 저전류 선형 레귤레이터
• FR015L3EZ - 저측 역극성 보호기
• BD33HC0MEFJ-ME2 - 로직 회로용 3V3/1A 레귤레이터
• PCF8523TK - I2C 인터페이스를 가진 실시간 시계(RTC)
• CAT24C512WI-GT3 - 512 KB EEPROM

이 장치는 초기에 표준 2핀 커넥터를 통해 LiPo 배터리에 연결해야 하며, 보드를 프로그래밍하고 I/O에 접근하기 위한 헤더를 최소한 하나 포함해야 합니다. I/O 수는 일반적으로 단일 헤더에 맞출 수 있는 것보다 많으므로, I/O에 접근하기 위해 2번째 헤더를 포함할지 여부는 판단의 문제입니다. 일단은 배터리 커넥터와 단일 I/O 헤더로 진행하고, 나중에 다른 커넥터를 추가할 수 있습니다.

시작하기: 회로도

이 장치의 회로도는 너무 복잡하지 않으며 모든 회로가 단일 페이지에 맞을 것입니다. 전체 설계가 명확하고 읽기 쉽도록 회로도의 다른 영역을 개별적으로 보여드리겠습니다.

먼저, 전원 섹션을 살펴보겠습니다. 이 장치에서는 3V3 전원이 150 mA 정격 전류 출력을 가진 저소음, 저전류 LDO에 의해 제공됩니다. LDO는 배터리 전원(VBAT)을 입력으로 받아 원하는 3V3 출력으로 변환합니다.

VBAT와 VDD1의 넷 연결을 기반으로, 보드에 전원을 공급하는 두 가지 방법이 있음을 알 수 있습니다:

• VDD1에 직접 3V3을 적용하는 것, 예를 들어 핀 헤더를 통해
• VBAT 넷에 직접 전압을 적용하는 것, 또한 커넥터 중 하나를 통해

전자의 경우, MCU와 RTC만 전원이 켜지며, 주변 장치에는 전원이 공급되지 않습니다. 후자의 경우, 전체 시스템에 전원을 공급하게 되며, 이제 VDD1은 입력이 아닌 출력이 됩니다.

2번째 레귤레이터가 네트 VDD2에 대해 3V3 전원을 제공하고 있음을 알 수 있습니다. 이 레귤레이터에는 활성화 핀이 포함되어 있어, 장치가 처음에 VDD1을 사용하여 전원을 켠 후, 주변 장치(이 경우 EEPROM)를 VDD2를 사용하여 전원을 켤 수 있습니다. 이는 장치가 사용되지 않을 때 VDD2_ENABLE 핀을 토글하여 주변 장치의 전원을 끌 수 있는 기능을 제공합니다. 장치를 켜는 데 중심이 되지 않는 다른 주변 장치를 이 설계에 포함시키고 싶다면, 이러한 것들을 VDD1이 아닌 VDD2에 연결하고 싶을 것입니다.

다음으로, nRF52840 연결을 살펴보겠습니다. 이들은 Nordic 개발 보드에서 빌려온 것이며, 그들의 구성 요소에 대한 원래 연결 세트는 그들의 Altium 설계 파일에서 접근할 수 있습니다.

여기에서 여러 인터페이스를 분리했으며, 지원 회로는 주로 참조 크리스탈과 일부 커패시터를 포함합니다. 커패시터는 대형 케이스에서 대량 디커플링용으로부터, VDD1 레일에서 바이패싱용으로 작은 케이스(0201)에 이르기까지 다양합니다. 이 구성 요소에는 여전히 많은 핀이 남아 있으며, 이들은 다른 주변 장치에 사용될 수 있습니다. 나중에 비디오 시리즈에서 보여지는 것처럼 추가 I/O들과 SPI 인터페이스 일부를 핀 헤더로 분리할 것입니다.

E1 핀을 살펴보면 안테나 연결을 볼 수 있습니다. 처음에는 참조 설계의 원본 회로도와 레이아웃에서 시작하여, 이 임피던스 매칭 네트워크는 다른 출력 커패시터 값을 사용했습니다. 아래에 표시된 임피던스 매칭 네트워크는 온라인 계산기로 안테나 임피던스를 역설계하고 매칭 네트워크를 대칭이 되도록 수정하여 결정되었습니다. 참조 설계에서 0.8 pF 출력 커패시터를 아래에 표시된 1.2 pF 출력 커패시터로 교체하면 사실상 동일한 성능을 제공합니다.

이것으로 기본적으로 회로도 캡처 부분이 마무리되며, 나머지 회로는 구현하기 쉽습니다. 이제 PCB 레이아웃으로 넘어갈 수 있습니다.

PCB 레이아웃

PCB 레이아웃에 들어가면 nRF52840을 WLCSP에서 사용하기 위해 완료해야 할 몇 가지 중요한 작업이 있습니다:

• 스택 업 및 BGA 팬아웃 결정
• 안테나를 인쇄 요소로 배치
• RF 섹션과 간섭하지 않도록 다른 IC를 배치하고 라우팅

스택업 및 팬아웃

스택업 및 팬아웃 전략의 주요 동력은 nRF52 패키지의 볼 피치입니다. 독자들은 위에서 볼 피치가 0.35mm임을 알아차렸을 것입니다. 제 발자국의 패드 크기는 0.212mm로, BGA 발자국에 대한 IPC 표준을 고려할 때 적절한 크기입니다. 패드를 대각선으로 가로지르는 거리는 0.495mm입니다. 이러한 측정값은 아래에 나와 있습니다.

내부 핀으로 라우팅하기 위해 스루홀 비아를 사용한 도그본 팬아웃을 시도한다면, 비아와 인접한 패드 사이에는 대략 1-2 밀의 공간만 남게 될 것입니다. 이는 대부분의 제작소에서 제대로 에칭하기에는 너무 작은 크기입니다. 또한 약 4 밀의 매우 작은 드릴 크기와 8에서 9 밀 직경의 패드가 필요할 것입니다. 이러한 값들은 표준 제작 내에서 작업하기에는 너무 작습니다.

그러므로 저는 내부 레이어에 도달하기 위해 패드 내 비아 팬아웃과 눈에 보이지 않는 비아 및 매립 비아를 사용했습니다. 패드 크기가 약 8.3 밀인 경우, 8 밀 패드를 사용하여 4 밀 눈에 보이지 않는/매립 비아를 사용할 수 있습니다. 1:2의 종횡비를 유지하려면 눈에 보이지 않는/매립 비아가 있는 외부 레이어에 대해 4 밀 레이어 두께가 필요합니다. 이것은 아래에 표시된 스택업에서와 같이 총 6개의 레이어를 제공할 것입니다.

부품 및 안테나 배치

스택업과 팬아웃을 마친 후, 이 보드에 대한 제 초기 배치는 아래에 표시되어 있습니다. 나머지 연결을 완료하기 전에 전원 라우팅을 위한 몇 개의 폴리곤을 포함시켰습니다. 6핀 헤더의 초기 배치는 프로그래밍 및 전압 읽기에 사용되었습니다. 다음으로 고려해야 할 점은 안테나 배치이며, 마지막으로 우리는 커넥터로의 I/O 브레이크아웃으로 마무리할 수 있습니다.

이 디자인에서는 인쇄된 안테나를 사용하여 무선 신호를 송수신합니다. nRF52에 대한 인쇄된 안테나를 배치하기 위한 최적의 위치는 보드 가장자리입니다. 이렇게 하면 안테나가 디지털 섹션의 방해를 받지 않게 됩니다. 안테나는 nRF52840의 E1 핀에 연결됩니다.

nRF52 참조 설계를 살펴보면, 다른 설계에 통합할 수 있는 인쇄된 안테나 예제를 제공하는 것을 볼 수 있습니다. 이 안테나는 4분의 1 파장 안테나이며, 안테나의 길이를 계산하고 이를 2.45 GHz 신호의 지상 없는 마이크로스트립 구성에서의 파장과 비교함으로써 이를 확인할 수 있습니다. 위의 회로도에 표시된 임피던스 매칭 네트워크는 이 보드의 스택업 차이를 고려할 때 충분한 매칭을 제공해야 합니다.

SWD 프로그래밍 헤더 및 I/O 헤더

이 보드를 생산하기로 결정했다면, 프로그래밍해야 할 것입니다. nRF52840 문서는 단 4개의 핀을 사용하여 SWDIO 프로토콜을 통해 장치를 프로그래밍하는 방법을 제공합니다:

• VDD (시스템 전원)
• SWDIO (J2)
• SWDCLK (H2)
• GND

따라서, 저는 많은 마이크로컨트롤러 보드를 프로그래밍하는 데 사용되는 표준 케이블인 SWD 헤더로 1x6 핀 헤더를 교체했습니다(제 실험실에도 몇 개의 SWD 케이블이 있습니다). 프로그래밍에는 선택 사항이지만, nReset 핀(K6)을 SWD 헤더 핀아웃에 VBAT 연결과 함께 포함시킬 것입니다. 제 SWD 헤더의 최종 핀아웃은 아래와 같이 표시됩니다.

이 유형의 장치에 선호하는 프로그래머는 ASIX.net에서 구할 수 있는 PRESTO 프로그래머입니다. 이 프로그래머는 nRF52840을 포함한 다양한 장치를 지원하는 긴 목록을 가지고 있습니다. PRESTO에서 케이블의 사용자 정의 핀아웃을 만들어야 하지만, 플라잉 리드를 사용하면 충분히 간단합니다.

다음으로, 처음 선택한 1x6 헤더를 추가 I/O를 분리할 수 있는 2x7 헤더로 교체하기로 결정했습니다. 헤더는 보드의 왼쪽 상단에 배치되었습니다. 이 I/O에는 EMI가 이러한 연결에서 문제가 될 경우 보드로 들어오거나 나가는 신호를 늦추기 위해 22 옴의 직렬 저항을 추가했습니다. 필요하지 않다고 판단되면 언제든지 이것들을 0 옴 저항으로 교체할 수 있습니다.

최종 레이아웃

아래 이미지에서 최종화된 PCB 레이아웃을 볼 수 있습니다. 몇몇 로고를 추가하고, 보드의 오른쪽 하단에 부품 번호를 설정하며, 핀 헤더의 하단 절반을 따라 I/O 라인에 저항기를 정렬했습니다. 또한, 모든 지정자가 명확하고 겹치는 부분이 없도록 실크스크린에 최종 정리를 했습니다. 이 시점에서, 디자인은 최종 DRC를 통과했으며 생산 준비가 되었습니다.

소스 파일 및 향후 수정 사항

몇몇 곳에서 라우팅을 개선하여 I/O 접근을 정리할 수는 있지만, 보드는 기능할 것이며 결과에 만족합니다. 추가될 수 있는 몇 가지 기능으로는 USB 커넥터와 표준 5V USB 플러그의 버스에서 장치를 충전할 수 있는 USB 충전 관리 IC가 있습니다.

디자인에 추가할 수 있는 또 다른 구성 요소는 nRF52 시리즈 MCU에 WiFi 접속을 제공하는 Nordic 동반 IC입니다. 지난해 8월 2022년에, Nordic은 nRF 시리즈의 최신 반복인 nRF7002를 발표했습니다. 이 SoC는 nRF52 또는 nRF53 제품에 대한 동반자로서 듀얼 밴드 WiFi 6 지원과 초저전력 소비를 제공합니다. 이 동반 IC에 대해 다가오는 프로젝트와 비디오에서 살펴볼 것입니다.

지금은, 이 링크를 클릭하여 ZIP 아카이브를 다운로드하세요 프로젝트 소스 파일이 포함되어 있습니다. 위의 임베드에서 다운로드 링크를 사용하여 소스 파일에 접근할 수도 있습니다.

RF 섹션이 있는 고밀도 구성 요소는 Altium Designer®의 완벽한 CAD 유틸리티 세트로 배치하고 라우팅하기 쉽습니다. 디자인을 마치고 제조업체에 파일을 릴리스하고 싶을 때, Altium 365™ 플랫폼은 프로젝트를 협업하고 공유하기 쉽게 만듭니다.

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