LTE + GNSS 자산 추적기 파트 2

이것은 제 LTE GNSS 자산 추적기 프로젝트의 두 번째 부분입니다. 첫 번째 부분에서는 프로젝트에 적합한 구성 요소를 식별하고 회로도를 작성했습니다. 이번 부분에서는 PCB 레이아웃과 라우팅으로 프로젝트를 마무리할 예정입니다.

지난 기사에서는 이 보드를 가능한 한 작게 만들겠다는 목표를 밝혔으며, 라우팅에 6개 층이 필요할 것으로 예상하면서 고밀도 보드를 만들려는 의도를 가졌습니다. 그러나 보드의 전체 크기는 디자이너의 바람과 관계없이 가장 큰 구성 요소에 의해 결정됩니다. 18650 리튬 이온 배터리 홀더와 LTE 안테나만으로 이 보드의 발자국을 정의하며, LTE 안테나는 특정 간격 및 레이아웃 요구 사항을 가지고 있어 18650 배터리와 결합하여 길이를 결정하고, LTE 안테나만이 폭을 결정합니다.

프로젝트는 여전히 비교적 컴팩트하며, 예상보다 큰 크기는 구성 요소 배치와 관련하여 엔지니어링 트레이드오프가 적다는 것을 의미합니다.

레이아웃과 라우팅에 들어가기 전에, 이전 파트에서 언급했던 것을 다시 한번 강조하고 싶습니다—이 프로젝트는 오픈 소스이며, 허용적인 MIT 라이선스 하에 이용할 수 있습니다. 프로젝트 파일은 GitHub에서 찾을 수 있습니다. 이 프로젝트의 구성 요소들은 제 오픈 소스 Altium Designer® 구성 요소 라이브러리, Celestial Altium Library에서 가져왔습니다. 이 프로젝트를 자신의 프로젝트/제품의 시작점으로 사용하거나, 원하는 부분을 자유롭게 사용할 수 있습니다.

레이어 스택

이것이 RF 보드인 점을 고려할 때, 보드에서 먼저 설정할 것은 레이어 스택입니다. RF 트레이스에 충분히 작은 트랙을 허용하기 위해 최소 4개의 레이어가 필요합니다. 저는 제 CC1125 Sub-1GHz Transceiver 프로젝트에서 사용했던 것과 본질적으로 동일한 레이어 스택을 사용할 것입니다. 그 기사에서 레이어 스택과 임피던스 설정 가이드를 찾을 수 있습니다.

이 프로젝트에서 Sub 1Ghz 프로젝트와 다르게 하고 있는 한 가지는 대칭적인 스택업을 사용하지 않는 것입니다. 상단 레이어 아래에는 평면 레이어가 있지만, 하단 레이어 위에는 신호 레이어가 있습니다. 기본적으로 Altium은 대칭 스택을 사용하는데, 이는 레이어 중 하나를 변경할 때 매칭되는 쌍의 레이어를 모두 평면이나 신호로 변경합니다.

이 기능을 비활성화하려면, 보드 섹션 아래의 속성 패널에서 스택 대칭 선택을 해제하면 됩니다.

보드 스택이 설정되고, 임피던스 규칙 및 클래스가 설정되면, 레이아웃을 시작할 준비가 되었습니다.

보드 레이아웃

이 프로젝트의 이전 파트에서 이어서, 컴포넌트를 PCB로 옮겼습니다. 이 프로젝트에서는 룸을 사용하지 않습니다—룸은 많은 프로젝트, 특히 멀티 채널 프로젝트에 매우 유용하지만, 예를 들어 제 전류 모니터 및 컨트롤러 프로젝트는 빠른 라우팅을 위해 룸을 잘 활용합니다. 그러나 이 프로젝트에서는 룸 관련 규칙이 없고 Altium에서 룸 관련 기능을 사용하지 않기 때문에, 아마도 룸을 숨기고 각 룸이 전체 보드를 커버하도록 만들 것입니다.

PCB를 업데이트할 때 방이 생성되는 것을 비활성화하려면, Project -> Project Options로 이동하여 ECO Generation 탭에서 Ignore Differences를 선택하여 끌 수 있습니다.

이렇게 하면 설계된 모든 141개의 구성 요소가 보드로 전송되며, 처음 전송될 때의 모습이 언제나 마음에 듭니다.

이전 글에서 언급했듯이, 저는 레이아웃을 시작할 때 구성 요소를 블록으로 그룹화하여 각각을 개별적으로 레이아웃하는 것을 정말 좋아합니다. 이러한 그룹화는 스키마틱 시트별로만 하는 것보다 더 세밀합니다. 이 방식으로 공간 배치와 레이아웃에 대한 더 나은 이해를 얻을 수 있다고 생각합니다.

예를 들어, 마이크로컨트롤러 스키마틱은 디커플링 및 전력 필터 구성 요소를 함께 그룹화하고, 그 옆에 마이크로컨트롤러와 관련 패시브 구성 요소를 배치한 다음, 마지막으로 Single Wire Debug 포트와 리셋 버튼을 배치합니다. 이 프로젝트의 마이크로컨트롤러를 위한 스키마틱 시트에는 SPI 플래시 칩도 포함되어 있는데, 레이아웃에서 반드시 마이크로컨트롤러 바로 옆에 둘 필요는 없으므로 별도로 그룹화합니다. 만약 플래시 IC를 마이크로컨트롤러와 함께 그룹화했다면, 구성 요소의 직소 퍼즐을 조립할 때 레이아웃 옵션을 제한할 수 있습니다.

이렇게 하면 개별적으로 배치할 작은 블록들이 생깁니다. 이 보드에는 140개의 구성 요소만 있지만, 수백 개의 구성 요소가 있는 보드에 이 전략을 적용하면 레이아웃과 라우팅 프로젝트가 훨씬 덜 어렵고 복잡해 보일 수 있습니다.

많은 작은 섹션들에 대해 개별적으로 집중한 다음 이 섹션들을 조금씩 모아가는 것이 레이아웃을 훨씬 더 접근하기 쉽게 만듭니다.

대략적인 레이아웃

모든 구성 요소 블록이 개별적으로 배치되면, 이제는 보드 위에 모두 어떻게 맞출지에 대한 직소 퍼즐과 같습니다. 구성 요소 블록을 조립하는 동안, 섹션 간에 신호를 어떻게 전달할지에 대해 사전에 생각하는 것이 항상 좋은 생각입니다. 물건들을 밀집시키는 데에만 몰두하여 충분한 크기의 도체나 비아(vias)를 위한 공간을 남기지 않는 실수를 범하기 쉽습니다.

TVS 다이오드와 퓨즈가 있는 입력 레이아웃은 모듈과 IC와 달리 위치 설정이 가장 유연한 부분이어서 많은 실험이 필요했습니다. TVS 다이오드는 민감한 회로가 손상되기 전에 모든 순간적인 전압을 완화할 수 있도록 부하 연결과 소스 사이에 있어야 합니다. 대규모 전류 스파이크를 효과적으로 관리하면서 보드 자체가 손상되지 않도록 하기 위해 접지/복귀 경로는 크고 저임피던스여야 합니다.

보드의 하단은 대부분 비어 있으며, 이는 배터리 홀더의 위치가 기계적 안정성을 위해 가지고 있는 마운팅 포스트로 인해 상당히 제한되기 때문입니다. 포스트는 보드의 다른 부품이 위치할 수 있는 곳에 심각한 영향을 미치며, 이는 홀더의 한쪽 면에서 사용할 수 있는 보드의 작은 부분만을 허용합니다. 원래 GNSS 아래에 레귤레이터 모듈 중 하나를 배치할 계획이었지만, 그 위치가 마음에 들지 않았습니다. GNSS 모듈로 스위칭 노이즈가 전달될까 봐 걱정되었기 때문입니다. 다행히도, 보드 하단에 SIM 카드 소켓을 배치하고 싶었고, GNSS 모듈 아래가 매우 잘 작동했습니다. 배터리와 전원 입력 터미널 블록과 같은 쪽에 SIM 카드 소켓을 배치하고 싶었습니다. 이렇게 하면 이것이 인클로저 안에 있을 때, 서비스 가능한 부품들이 같은 쪽에 있게 하고 기술자가 쉽게 접근할 수 있게 하기 위함입니다.

또한, 직접 방사되는 노이즈의 일부를 차폐하기 위해 보드의 GNSS 안테나와 반대편에 LTE 안테나를 배치했습니다. 큰 차이는 나지 않겠지만, 얻을 수 있는 것은 얻고 싶습니다.

중요 라우팅

대략적인 레이아웃을 갖춘 후에는 보드의 성능에 중요한 것들, 즉 RF 네트워크, 입력 전력 및 LTE 전력과 같은 더 높은 전류 네트, 그리고 모듈이 아닌 단일 스위치 모드 전원 공급 장치를 라우팅하는 것을 선호합니다.

이렇게 하면 해당 네트워크가 제자리에 있고 필요한 상태를 유지하므로 특별한 요구 사항이 없는 IO 네트워크가 그 주변을 우회할 수 있습니다.

텍사스 인스트루먼트의 TPS61089는 흥미로운 레귤레이터로, 많은 부스트 컨버터와는 다르게 전압 출력이 칩 자체를 통해 이루어집니다. 언제나처럼, 매우 좋은 이유가 없는 한 제조업체의 레이아웃 권장 사항을 가능한 한 밀접하게 따르려고 합니다. 제조업체의 레이아웃은 일반적으로 스위치 모드 레귤레이터의 성공적이고 안정적이며 저소음 구현을 위한 가장 높은 가능성을 제공할 것입니다.

LTE 안테나는 레이아웃 권장 사항도 있지만, 모듈과 안테나의 배치로 인해 이에서 벗어날 수밖에 없었습니다. LTE 모듈을 보드의 상단에, 안테나는 보드의 하단에 두었는데, 이렇게 하면 안테나 패드와 LTE 안테나 포트 패드 사이의 거리가 가장 짧아지기 때문입니다. 레이아웃을 여전히 따랐지만, 인덕터 이후에 45도 각도로 변경되었고, 커패시터에서 보드의 양면을 변경하기 위해 비아를 사용했습니다.

여기 Altium에서 회로 기판의 임피던스 매칭을 설정하는 빠른 가이드가 있습니다. 이전 프로젝트에서 단계별 지침을 제공했지만, 일부 사람들은 비디오를 선호한다는 것을 알고 있습니다.

RF 관련 모든 것과 마찬가지로, 첫 번째 프로토타입의 성능과 라우팅을 네트워크 분석기로 평가하여 어떤 조정이 필요한지 확인해야 합니다. 제조업체 또는 참조 설계의 라우팅은 첫 번째 프로토타입을 최적의 설계에 가깝게 시작하기 위한 초기 출발점으로만 고려되어야 합니다. Microwave Studio, HFSS 및 기타 시뮬레이션 도구도 좋은 출발점을 제공하는 훌륭한 방법이지만, 실제 구리 위의 기판은 시뮬레이션과 비교할 때 항상 일부 차이가 있을 것입니다. 시뮬레이션은 완벽하지 않으며 제조도 마찬가지입니다.

이것은 보드 상단과 하단의 첫 번째 패스 라우팅입니다.

불행하게도, 회로도의 입력 섹션을 통해 모든 연결을 가져갈 방법이 없다는 것이 빠르게 분명해졌습니다.

여기의 폴리곤은 다른 네트의 비아를 통과시키기에 너무 밀집되어 있으며, 더 추가할 공간도 없습니다.

문제는, 정말로 그렇게 많은 구리 면적이 필요한가 하는 것입니다. 제가 PCB 트레이스 폭 계산기에 대해 언급한 바 있는 간단하고 빠른 전류 밀도 기사에서, 제 자신의 조언을 따라 실제로 필요한 것을 계산하기 위해 그곳으로 가보겠습니다.

상단 및 하단 레이어의 경우, 트레이스 폭이 1mm 미만이 필요한데, 이는 정말 좋은 소식입니다. 이로 인해 폴리곤을 많이 정리할 수 있습니다. 저가 PCB 제조업체들이 내부 레이어에 17uM을 사용하는 경우가 많으며, 따라서 내부 레이어는 동일한 전류를 전달하기 위해 외부 레이어의 구리보다 두 배 넓어야 한다는 점을 언급할 가치가 있습니다.

큰 구리 영역에 대해 꿈꾸는 것은 좋지만, 이 경우에는 구현이 불가능합니다. 더 작은 도체도 충분히 효과적일 것입니다.

비교를 위해, 라우팅이 완료된 후의 보드 같은 영역입니다.

대부분의 변경 사항은 하단 레이어에 있어서, 배터리 충전 IC에 일부 전력을 공급하고 필요한 다양한 레귤레이터 모듈의 모든 연결을 만들 수 있었습니다.

보드 완성하기

이 보드의 완성된 레이아웃은 처음 시작했을 때와 꽤 비슷하게 끝났습니다. 제가 생각했던 것보다 놀랐습니다. 제가 조금씩 이동하면서 진행할 것이라고 생각했지만, 제한된 공간과 특정 부품들을 서로 멀리 떨어뜨려 두어야 하는 요구 사항으로 인해, 모든 구성 요소의 위치를 완전히 변경하지 않고서는 정말로 많은 대안이 없었습니다.

LTE 모듈은 GNSS 모듈이 수신하는 것보다 훨씬 높은 강도의 신호를 받게 될 것이므로, GNSS 모듈과 그 안테나가 보드의 비교적 깨끗한 부분에 위치하도록 하는 것이 중요했습니다. 저는 스위치 모드 레귤레이터와 그에 따른 전자기 간섭이 GNSS보다는 LTE 모듈과 그 안테나 근처에 있는 것을 훨씬 선호합니다. GNSS 모듈이 있는 보드의 끝 부분에는 배터리 용량 모니터와 CAN 트랜시버만 있으며, 이들은 항법 수신에 영향을 미쳐서는 안 됩니다.

최종적으로 보드에 그라운드 푸어를 적용한 후, 각 레이어에서 더 연속적이고 끊김없는 그라운드를 확보하기 위해 트레이스를 정리하는 데 상당한 시간을 보냈습니다. 전체 그라운드 플레인 레이어가 있긴 하지만, 저는 항상 그라운드 넷을 강조하여 각 레이어를 살펴보고 디자인을 다소 정리할 수 있는 곳을 찾아보곤 합니다. 종종 트레이스를 한 방향이나 다른 방향으로 약간 밀어내면 그라운드 푸어가 통과할 수 있는 공간이 열려 더 완전한 푸어를 할 수 있습니다.

새로운 Gloss Selected 도구가 매우 유용하게 사용되는 곳입니다. 이 도구는 hug 및 push 인터랙티브 라우팅과 결합되어 있습니다. 초기에 연결을 확인하기 위해 배치한 일부 트레이스는 라우팅하는 동안 상당히 이동되었습니다. 트레이스 및/또는 이에 연결된 비아가 다른 연결을 위한 공간을 만들기 위해 이동되었습니다. 이러한 트레이스 중 많은 부분이 gloss를 사용할 때 더 적은 공간을 차지하고 더 잘 밀착되어 더 완전한 그라운드 푸어를 허용했습니다.

결론

이 프로젝트에서 보드의 밀도를 최소한 80% 달성하기를 희망했습니다. 이는 개인적인 목표였지만, 표면적을 줄이기 위해 보드 형태를 변경하지 않는 한 이루어지지 않을 것이었습니다. 보드는 여전히 동일한 물리적 공간을 차지했을 것입니다. 결국 저는 60%의 밀도를 달성했는데, 제 의견으로는 상당히 희박한 보드입니다. 하지만, 이 덕분에 4개의 레이어만을 사용할 수 있었고, 이 보드가 가진 스위칭 레귤레이터 모듈의 수에 대해 더 최적의 레이아웃을 달성할 수 있었습니다.

더 큰 크기에도 불구하고, 이 추적기는 제가 과거에 사용했던 시중에 나와 있는 추적기 및 원격 진단 장치보다 여전히 훨씬 더 컴팩트합니다. 예를 들어, 조명 타워나 발전기와 같은 장비에서 이 추적기는 쉽게 숨길 수 있으며, 만약 케이스에 넣는다면 견고하게 장착할 수 있어, 특히 도난의 경우에 제거나 손상의 가능성을 크게 줄일 수 있습니다.

가속도계와 CAN 데이터가 IBM Watson과 같은 도구를 활용하여 올바른 클라우드 플랫폼으로 전송되면, 중요 부품이 수리 불가능한 상태로 손상되기 전에 유지보수 필요성을 조기에 식별할 수 있습니다. 완전한 실패나 고장에 대응하기보다는, 기계 학습 시스템이 기술자에게 조치가 필요함을 알릴 수 있습니다. 올바르게 구현된다면, 이 기능은 장비에 대한 보험 비용을 절감하는 것보다 회사에 훨씬 더 많은 돈을 절약해 줄 수 있습니다.

기계 학습에서 나오는 예방 유지보수 예측과 도난 발생 시 장비/공장의 신속한 회수를 결합하면, 다운 타임을 크게 줄이고 장비 가용률을 향상시킬 수 있습니다.

나는 라우팅을 가지고 더 많은 시간을 보내며 여기저기 약간의 개선을 할 수 있겠지만, 어느 시점에서는 디자인을 최소한 첫 번째 리비전으로 완성된 것으로 선언해야 합니다. 이 디자인을 사용하고 테스트 후 몇 가지 변경을 한다면, GitHub에서 pull request를 제출하여 다른 사람들도 당신의 구현을 즐길 수 있도록 해주세요.

이 프로젝트는 오픈 소스로, 기사의 시작 부분에서 언급했듯이, GitHub에서 MIT 라이선스 하에 디자인 파일을 가져갈 수 있습니다.

다음 PCB 디자인에서 Altium이 어떻게 도움을 줄 수 있는지 더 알고 싶으신가요? Altium의 전문가와 상담하세요.