Pi.MX8 프로젝트 - 회로도 구조 및 부품 배치

Pi.MX8 오픈 소스 컴퓨트 모듈 프로젝트의 두 번째 설치를 환영합니다! 이 기사 시리즈에서는 NXP의 i.MX8M 플러스 프로세서를 기반으로 한 시스템 온 모듈의 설계 및 테스트에 대해 자세히 살펴봅니다.

이전 업데이트에서는 이 프로젝트의 동기와 모듈이 가져야 할 기능, 그리고 이를 구현하기 위해 사용하고 싶은 구성 요소에 대해 논의했습니다.

이번에는 스키마틱 디자인의 구조와 PCB 레이아웃을 시작하는 방법에 초점을 맞추고자 합니다.

스키마틱 구조

스키마틱이 어떻게 구성되어 있는지 살펴보기 시작합시다. 스키마틱 캡처를 처리하기 위해 일반적으로 사용되는 두 가지 접근 방식은 평면 및 계층적 디자인입니다.

평면 스키마틱은 여러 장으로 나뉘어진 단일 페이지 스키마틱으로 가장 잘 생각할 수 있습니다. 예를 들어, 시트 간의 연결은 시트 외부 커넥터를 사용하여 설정할 수 있습니다.

계층적 회로도에서는 설계를 기능 블록으로 나눌 수 있으며, 이러한 기능 블록은 시트 기호로 표현되어 상호 연결되거나 중첩될 수 있습니다. 이 접근 방식은 대규모 설계에서 자주 사용되며, 대규모 회로도를 독립적으로 설계하고 볼 수 있는 블록으로 효과적으로 분해할 수 있게 합니다. 이러한 기능 블록 간의 연결은 시트 기호에 표시될 포트를 사용하여 설정됩니다. 전원 객체(VCC, GND 등)를 제외하고는 스키마틱 시트를 연결하기 위해 포트만 사용됩니다.

Pi.MX8 스키마틱은 이 계층적 토폴로지를 사용합니다:

설계는 여러 기능 블록으로 나뉘며, 모두 하나의 최상위 시트에 표현됩니다. 여기서, 별도의 시트 간 모든 연결이 설정됩니다. 이 설계는 단 하나의 계층적 수준만을 사용합니다.

iMX8 SoC는 여러 부분으로 나뉘어 여러 시트에 배치됩니다. 최상위 시트에서, 페이지 중앙의 큰 기호가 SoC를 나타냅니다. 페이지의 왼쪽과 오른쪽에 있는 두 개의 큰 시트 기호는 Pi.MX8 모듈의 두 개의 보드 대 보드 커넥터를 나타냅니다. 다른 모든 기능 블록은 각자의 시트 기호로 표현됩니다.

각 페이지는 동일한 디자인 철학을 따릅니다. 회로도 페이지를 떠나는 인터페이스는 인터페이스의 전압 레벨을 나타내기 위해 색상으로 코드화됩니다. 전력 분배 네트워크의 일부인 넷은 굵은 선 너비로 그려집니다.

특정 구성 설정, 명명 규칙 또는 일반적인 비고에 대한 메모를 통합하면 디버깅 및 기동 과정을 가속화하고 PCB 라우팅 과정을 상기시키는 역할을 할 수 있습니다.

메모와 색상 코드가 포함된 회로도 페이지

Altium Designer 회로도에 Excel 스프레드시트나 데이터시트에서 캡처한 스크린샷에서 메모를 추가하는 것은 Ctrl+C, Ctrl+V만큼 쉽습니다:

회로도 자체는 현재 여전히 변경될 수 있으므로 개발 중입니다. 추후 업데이트에서 회로도에 대해 더 깊이 다룰 예정입니다.

회로도는 앞으로 몇 주 안에 몇 가지 작은 변경을 겪겠지만, 이미 PCB 레이아웃을 계획할 수 있습니다.

PCB 레이아웃 계획

레이아웃 계획 단계에서는 레이어스택을 정의하고 보드를 라우팅하는 전략을 계획하고자 합니다. 레이어스택과 라우팅 접근 방식을 정의하기 위한 첫 단계로, 보드에 핵심 구성 요소를 배치할 수 있습니다. 이는 공간 요구 사항과 라우팅 밀도를 추정하는 데 도움이 되며, 둘 다 레이어스택 및 라우팅 전략을 정의하는 데 중요한 요소입니다. 이 컨텍스트에서 핵심 구성 요소는 구성 요소 배치에 큰 영향을 미치는 부품을 의미하는데, 다음 예시가 그 경우입니다:

• PCB에 미리 정의된 위치가 있는 부품 예: 커넥터, 지시용 LED, SMD 스탠드오프;

• 많은 넷이 라우팅되어야 하는 부품 예: SoCs, 메모리 장치, MCUs;

• 많은 보드 공간을 차지하는 부품 예: 큰 인덕터, 스위치, 히트싱크.

보드 공간 준비

Pi.MX8 모듈에 어떤 구성 요소도 배치하기 전에, 우리가 하고 싶은 첫 번째 일은 몇 가지 경계 조건을 정의하는 것입니다. 모듈 컨텍스트에서 이는 우리가 사용하고자 하는 모듈 폼팩터에 의해 지시된 기계적 특성과 치수입니다.

MCAD 도구 목록에 따라, 우리는 MCAD CoDesigner를 사용하여 이 정보를 PCB 레이아웃 편집기로 전달할 수 있습니다. 우리의 경우, Spaceclaim Engineer를 사용하여 생성된 DXF 파일을 가져옵니다. 이 DXF 윤곽은 "Reference"라는 새로운 기계적 레이어에 가져오고 배치됩니다:

PCB의 기계적 치수 및 커넥터 위치

윤곽이 배치되면, PCB 편집기의 스냅 옵션을 사용하여 올바른 위치에 장착 구멍을 추가할 수 있습니다. 보드 간 커넥터는 모듈의 하단 레이어에 같은 방식으로 배치될 수 있습니다:

PCB에 장착 구멍과 커넥터의 위치 설정

상단 레이어에서, 외부 안테나용 U.FL 커넥터가 왼쪽 상단 장착 구멍 아래에 배치됩니다. 커넥터 아래에는 WiFi 및 Bluetooth 작동을 위한 칩 안테나가 배치됩니다. 이 온보드 안테나의 위치는 많은 기존 베이스보드가 안테나 위치 아래에 구리 비점유 영역을 사용하기 때문에 변경되어서는 안 됩니다.

안테나는 칩 안테나 자체뿐만 아니라 일부 구리 기하학적 형태와 매칭 구성 요소가 배치되어야 하는 참조 지점도 포함하는 라이브러리 구성 요소입니다. 이 정보는 안테나 데이터시트에서 찾을 수 있습니다. 이 정보를 라이브러리 구성 요소에 포함시켜 미리 정의된 기하학적 형태가 우연히 변경되지 않도록 합니다.

안테나 위치 정의

이 단계에서는 라우팅 및 구성 요소 배치를 위해 사용 가능한 보드 공간을 정의하는 것이 의미가 있을 수도 있으며, PCB의 가장자리를 따라 가드 링을 추가하는 것도 좋습니다. 가드 링은 모든 층의 PCB 가장자리를 따라 실행되는 구리 트랙으로, 정기적인 간격으로 지면에 연결되는 VIA를 사용합니다. 보드 가장자리를 따라 배치된 가드 링은 내부 층에서 환경으로의 방사 방출을 방지합니다. 가드 링은 PCB의 다른 구성에서도 사용되며, 예를 들어 표면 오염을 통해 흐르는 누설 전류가 매우 민감한 고임피던스 노드가 있는 영역으로 유입되는 것을 막아야 하는 정밀 아날로그 전자 기기에서 사용됩니다. 이러한 기능이 필요한 경우 레이아웃 계획 단계에서도 고려해야 합니다.

이른 설계 단계에서 보드 가장자리를 따라 가드 링을 배치하는 것이 중요한 이유는 나중에 이 기능을 추가하는 것이 어렵지 않아 보일 수 있지만, 가드 링은 상당한 양의 공간을 차지할 수 있기 때문입니다. 일반적으로 구리 기하학은 가공된 보드 가장자리까지 최소 0.2mm – 0.3mm의 거리를 가져야 합니다. 여기에 예를 들어 가드 링 트레이스 폭 0.6mm와 나머지 구리 트레이스까지의 거리 0.1mm를 더하면 보드가 각 방향으로 갑자기 2mm 작아집니다. 특히 커넥터가 보드 가장자리에 가깝게 배치되거나 보드의 구성 요소 밀도가 매우 높은 경우 이는 라우팅하는 동안 큰 차이를 만들 수 있습니다.

가드 링이 있는 PCB

구성 요소 배치를 고려할 때 고려해야 할 또 다른 제한 사항은 특정 구성 요소가 기계적 스트레스에 민감할 수 있다는 사실입니다. 인클로저 내부에 PCB가 장착되는 상황에 따라 보드의 특정 영역이 상당한 기계적 스트레스를 경험할 수 있습니다. 이러한 시나리오의 전형적인 예는 외부 장착 압력을 PCB에 적용하는 장착 홀이나 히트싱크입니다.

Pi.MX8 모듈에 대해서도 염두에 둬야 할 사항입니다. 모듈은 네 개의 장착 구멍을 사용하여 알루미늄 인클로저 내부에 장착됩니다. 이 구성에서 회로 기판과 하우징은 서로 견고하게 연결됩니다. 알루미늄은 FR4와 다른 열팽창 계수를 가지고 있기 때문에 시스템이 가열되는 즉시 보드가 휘기 시작합니다. 이 효과의 크기는 관련된 정확한 재료 특성과 조립체가 경험하는 온도 차이에 따라 달라집니다.

알루미늄 인클로저 내부에 장착된 모듈의 열팽창을 시뮬레이션할 수 있습니다. 변위 벡터의 기울기를 계산함으로써, 특히 장착 구멍 근처에서 보드가 움직임을 경험할 것임을 알 수 있습니다:

열팽창에 의한 기계적 스트레스

PCB가 고진동 환경에서 사용되는 경우, 장착 구멍 근처에서 높은 스트레스가 발생한다는 동일한 원칙이 적용됩니다.

그런데, 왜 이것이 Pi.MX8 모듈에 중요한가요? 모듈에는 외부 기계적 스트레스에 민감한 구성 요소들이 있습니다. 이 구성 요소들 중 큰 것은 세라믹 캐패시터입니다. 이 캐패시터들은 기계적 스트레스를 받으면 쉽게 깨질 수 있습니다. 종종 캐패시터가 단락되어 전체 시스템의 치명적인 실패를 초래합니다. 이러한 이유로, 큰 세라믹 캐패시터는 장착 구멍이나 V-컷 보드 가장자리 근처에 배치해서는 안 됩니다. 후자는 패널 분리 중에도 높은 기계적 스트레스를 경험합니다. 캐패시터가 클수록 PCB 내의 기계적 부하에 더 민감합니다.

우리에게 이는 소프트 종단을 사용하지 않는 0603보다 큰 세라믹 캐패시터를 장착 구멍으로부터 최소 3.5mm 이상 떨어뜨려 두어야 함을 의미합니다. 이 수치는 보드의 장착 상황에 따라 달라지며 Pi.MX8 보드를 위한 시뮬레이션에서 유래되었습니다.

이를 염두에 두고, Pi.MX8 보드의 핵심 구성 요소에 대한 예비 배치는 다음과 같습니다:

핵심 구성 요소의 예비 배치

이 구성 요소 배치의 배경과 이것이 레이어스택 선택에 미치는 영향은 다음 업데이트의 일부가 될 것입니다. Pi.MX8 모듈의 진행 상황을 계속해서 주목해 주세요!