디자인 단계 - 뚜껑 조립 전자 부품 1

오픈 소스 노트북 프로젝트 시리즈에 다시 오신 것을 환영합니다! 이전 업데이트에서는 다양한 센서와 전자 어셈블리를 노트북 디스플레이의 베젤에 통합하는 방법에 대해 논의했습니다.

우리는 사용할 PCB 기술을 결정했고, 웹캠 PCB의 장착 하드웨어가 어떻게 생겼는지 알아봤습니다. 이번 업데이트에서는 웹캠 모듈의 전자 및 PCB 설계에 주목할 것입니다.

완전히 조립된 웹캠/센서 PCB

메인보드 인터페이스

시스템의 메인보드와 웹캠/센서 PCB가 어떻게 인터페이스되어야 하는지 알아보기 시작합시다. 메인보드와 설정해야 할 논리적 연결이 네 가지 있습니다:

1. 이미지 센서 인터페이스

첫 번째는 웹캠 또는 이미지 센서 인터페이스입니다. 우리가 사용할 이미지 센서는 Omnivision OV2740입니다. 이 센서는 초당 60 프레임의 고화질 1080p 이미지를 제공합니다. 이미지 데이터 스트림은 MIPI-CSI2 인터페이스를 통해 전송됩니다. 센서를 제어하기 위해 표준 직렬 SCCB 인터페이스가 사용됩니다. 이 인터페이스와 함께 몇 가지 글로벌 제어 라인이 필요합니다.

보통 내부 및 외부 웹캠은 UVC 프로토콜을 지원하는 USB 인터페이스를 통해 연결됩니다. UVC 사양은 USB 비디오 장치 클래스를 의미하며, 하드웨어 특정 드라이버 없이 비디오 스트리밍 장치를 사용할 수 있게 합니다. 이는 외부 웹캠의 플러그 앤 플레이 작동을 가능하게 합니다. USB 인터페이스를 사용하는 또 다른 이점은 장치와 인터페이스를 위해 데이터 쌍 하나와 전원 및 접지 연결만 필요하다는 것입니다. 이는 시스템 내부에 라우팅해야 하는 신호의 양을 최소화하여 커넥터의 복잡성을 줄이고 전체 시스템의 신뢰성을 높입니다. USB UVC 장치나 모듈의 또 다른 장점은 USB UVC 호환 장치로 교체할 수 있어, 우리 노트북 디자인의 경우 웹캠 보드를 쉽게 새 버전으로 업그레이드할 수 있다는 것입니다.

그러나 오픈 소스 디자인에서 USB UVC 호환 장치를 사용하는 데에는 문제가 있습니다: 이미지 센서의 CSI 출력을 USB UVC 호환 인터페이스로 변환하기 위해서는 사용자 정의 펌웨어와 ISP가 있는 ASIC이 필요합니다. Realtek이나 SONIX Technology와 같은 대형 IC 벤더에서 다양한 통합 솔루션을 제공하고 있습니다. 그러나 이 IC들의 문서는 자유롭게 이용할 수 없으므로 오픈 소스 노트북에는 적합하지 않습니다.

하나의 예외는 인피니언의 EZ-USB™ CX3 MIPI CSI2에서 USB 5 Gbps 카메라 컨트롤러입니다. 이 IC는 접근 가능한 문서와 이미지 센서용 맞춤 펌웨어를 설계하기 위한 SDK를 제공합니다. 그러나 EZ-USB™ CX3은 더 높은 해상도 또는 더 높은 프레임 속도의 이미지 센서를 위한 USB3.0 애플리케이션을 대상으로 합니다. 볼륨 당 IC당 10€ 이상의 가격표가 붙어 있어, 이 구성 요소는 우리 애플리케이션에는 과도하게 스펙이 높습니다. 이 IC가 10mm X 10mm 121핀 BGA로 제공되므로, 어쨌든 웹캠 보드에 맞출 수 없을 것입니다.

그러므로, 현재로서는 이미지 센서에서 제공하는 전체 CSI2 인터페이스를 메인보드로 직접 라우팅할 것입니다. 우리에게는 두 가지 옵션이 있습니다; 사용 가능한 공간을 활용해 자체 USB UVC 변환기를 구현하거나 이미지 센서를 CPU/PCH와 직접 연결하고 호스트 CPU의 펌웨어를 통해 이미지 신호 처리를 처리하는 것입니다. 현재로서는 첫 번째 옵션이 구현될 가능성이 더 높습니다. 이에 대해 나중에 더 심층적으로 탐구할 것입니다.

메인보드로 라우팅해야 할 다른 인터페이스는 다음과 같습니다:

2. 마이크로폰 인터페이스

우리는 스테레오 오디오를 녹음하기 위해 두 개의 MEMS 마이크를 사용하고 있습니다. 이 MEMS 마이크는 PCH 또는 메인보드에 있는 임베디드 컨트롤러에서 읽을 수 있는 PWM(펄스 밀도 변조) 출력을 제공합니다.

3. 주변 광 센서

주변 광 센서는 I2C 인터페이스를 제공하는데, 이것도 메인보드에 있는 임베디드 컨트롤러로 라우팅해야 합니다.

4. 터치 키 출력

마지막으로, 터치 키의 출력을 임베디드 컨트롤러로 라우팅해야 합니다. 이 출력들은 WiFi 또는 카메라 인터페이스가 하드웨어에서 비활성화되었는지를 임베디드 컨트롤러에 알려줍니다.

보드 대 보드 커넥터

이제 웹캠 PCB와 메인보드 사이의 인터페이스에 필요한 핀의 수를 알았으니, 적합한 보드 대 보드 커넥터를 선택할 수 있습니다. 커넥터에 필요한 공간을 가능한 한 작게 유지하기 위해 미세 피치 커넥터를 사용할 것입니다.

이 버전의 웹캠 보드에는 0.4mm 피치의 40핀을 가진 Molex SlimStack 505550 커넥터를 사용할 것입니다.

Molex SlimStack 커넥터

우리는 웹캠 PCB에서 메인보드로 신호를 라우팅하기 위해 더블 레이어 FPC를 사용할 것입니다. SlimStack 커넥터는 공간 절약 솔루션이지만, 테스팅 결과 디스플레이 패널이 FPC 위에 있을 때 이 커넥터를 분리하기가 매우 어렵다는 것을 보여주었습니다.

FPC가 디스플레이 패널 위에 설치된 상태로 연결됨

디스플레이 패널이 설치된 상태에서 웹캠 PCB를 쉽게 교체할 수 있도록 하기 위해, 우리는 이 보드 대 보드 커넥터를 직접 FPC 커넥터로 교체할 것입니다. 이러한 커넥터의 흥미로운 후보 중 하나는 매우 높은 핀 밀도와 좋은 유지력을 특징으로 하는 Hirose FH35C 시리즈일 수 있습니다.

정전 용량식 터치 센서

웹캠 보드에 사용된 정전 용량식 터치 센서 TTP232-CA6은 Tontek에서 제공하는 듀얼 채널 감지 IC입니다. 한 칩이 두 채널을 제공하기 때문에 각 IC는 웹캠, WiFi 및 마이크 기능의 활성화 및 비활성화 버튼을 감지하는 데 사용됩니다.

감지 IC의 각 입력에는 선택적으로 0201 풋프린트의 커패시터가 배치됩니다. 이 선택적 커패시터를 통해 터치 IC의 감도를 조정할 수 있습니다.

센싱 IC들을 따라 래치가 마지막 버튼 누름을 저장하는 데 사용됩니다. 현재 래치 구현에서는 장치가 전원을 켤 때 카메라, WiFi 및 마이크 기능이 비활성화된 상태로 시작됩니다. 특히 WiFi 기능의 경우 이러한 동작이 바람직하지 않을 수 있으므로 이 채널의 기본 상태가 나중에 반전될 수 있습니다.

WiFi 기능을 위한 터치 감지 채널

마이크 및 주변 광 센서

이전 프로젝트 업데이트에서 선택한 마이크와 주변 광 센서는 데이터시트에 따라 구현되었습니다. 두 센서 모두 5V 입력 전원에서 생성된 공급 전압을 제공하는 별도의 3.3V LDO에서 공급됩니다.

주변 광 센서는 분리 캐패시터와 I2C 버스 풀업 저항이 포함된 작은 부가 보드에 위치합니다.

마이크 및 주변 광 센서

웹캠 이미지 센서

웹캠 이미지 센서는 다음과 같이 구현됩니다. 센서의 전원 레일은 모두 세 개의 작은 LDO에 의해 현지에서 생성됩니다. TLV740P LDO 시리즈는 매우 공간 절약적이고 비용 효율적인 솔루션입니다. 사용된 패키지는 1mm X 1mm X2SON으로 전체적으로 매우 작은 솔루션 크기를 결과합니다.

이미지 센서의 전력 소모는 모든 전력 레일을 선형 조정기를 사용하여 글로벌 5V 레일에서 낮출 수 있을 정도로 낮습니다.

웹캠 이미지 센서 회로도

웹캠 보드 회로도

웹캠 PCB 회로도의 완성된 초안은 Altium 365 뷰어에서 볼 수 있습니다:

터치 키와 센서 외에도, 웹캠 PCB는 각 센싱 채널 출력마다 RGB LED를 포함하고 있습니다. RGB LED는 사용된 각 단일 색상에 대한 저항 값을 변경하여 백라이트 아이콘의 색상을 미세 조정할 수 있도록 선택되었습니다.

소형 로직 레벨 N-채널 MOSFET(SOT-883 패키지)은 웹캠 보드의 모든 LED에 글로벌 PWM 디밍을 적용하는 데 사용됩니다. 화면의 밝기를 변경하는 데 사용될 동일한 PWM 신호는 화면 베젤의 백라이트 아이콘을 제어하는 데에도 사용될 수 있습니다. 이 방법으로 화면 밝기를 낮게 선택한 경우 아이콘이 방해가 되지 않습니다.

회로도가 완성되면, 이제 모든 정보를 PCB 편집기로 전달하고 보드의 라우팅을 시작할 수 있습니다.

다음 업데이트를 기대해 주세요. 웹캠 보드의 PCB 레이아웃에 대한 귀중한 통찰을 제공할 예정입니다—디자인과 기능에 대한 이해를 높일 수 있는 최신 정보를 놓치지 마세요!