Ebook: Projekt wielopłytowy EnviroSense

Projekt EnviroSense

Nasz projekt EnviroShield otrzymuje dużą aktualizację w tym artykule - wyprowadzamy go z fazy prototypowej, gdzie był tarczą Nucleo, i budujemy samodzielny produkt. Idealnie, będzie to w pełni zintegrowane z mechaniczną obudową, zawierającą pasywną osłonę przed promieniowaniem i wilgocią - ale to wykracza poza zakres tego artykułu.

UWAGA: WSTAW WIDOK, JEŚLI OBSŁUGUJE MONTAŻ WIELOPŁYTOWY

 

Jak we wszystkich moich projektach, ten projekt jest otwartoźródłowy i darmowy do użytku, jak tylko chcesz. Wszystkie pliki projektowe można znaleźć na GitHubie. Oczywiście, nie ma żadnej gwarancji, ani odpowiedzialności związanej z plikami projektowymi, ponieważ są one licencjonowane na licencji MIT.

Jako że teraz projekt ma być przeznaczony do użytku wewnątrz i na zewnątrz, potrzebujemy również sposobu, aby przesyłać nasze dane pogodowe z powrotem do bazy danych, więc dodamy moduł WiFi Microchip ATWINC1500-MR210PB.

W tym projekcie budujemy płytę główną - ale będziemy przede wszystkim rozmawiać o tym, jak i dlaczego budowałbyś własny moduł montażu powierzchniowego. Moduł WiFi Microchip jest doskonałym przykładem, dlaczego tworzyłbyś własną płytę montowaną powierzchniowo.

Dlaczego tworzyć moduł montażu powierzchniowego?

Certyfikacja

Certyfikacja urządzeń celowo emitujących promieniowanie jest kosztowna. Jeśli budujesz niestandardowe rozwiązanie bezprzewodowe do swoich produktów, może być sensowne przenieść sprzęt radiowy do własnego podzespołu, który można certyfikować oddzielnie. Jeśli masz wiele produktów korzystających z tego niestandardowego modułu radiowego, możesz być w stanie certyfikować je w znacznie tańszej klasie urządzeń niezamierzenie emitujących promieniowanie, ponieważ integrują one zatwierdzony moduł radiowy celowego nadawania.

Możesz również uznać to za wysoce stosowne do regulatorów napięcia, sterowników silników lub sterowników LED, które wymagają certyfikacji, na przykład w zastosowaniach kolejowych, motoryzacyjnych lub medycznych. Moduł Microchip ATWINC1500, którego używamy w tym projekcie, jest doskonałym przykładem tego podejścia. Mogłbym łatwo zintegrować układ RF bezpośrednio na płytce, jednak koszty certyfikacji znacznie by wzrosły.

Redukcja kosztów

Jeśli niewielka część twojego sprzętu wymaga specjalistycznego podłoża PCB, specjalnych funkcji PCB, takich jak zatyczki lub ślepe przelotki, lub większej liczby warstw - możesz znaleźć oszczędności, przenosząc tę część projektu do własnego podzespołu. W miarę jak niespecjalistyczna część twojej płytki drukowanej rośnie, płacisz premię za funkcje płytki obwodowej, z których niekoniecznie w pełni korzystasz.

Oddzielając specjalizowaną część projektu, sprawiasz również, że ponowne użycie tego bloku schematycznego staje się w przyszłości tańsze i łatwiejsze. Możesz po prostu umieścić istniejący moduł na niespecjalizowanej płytce i w pełni wykorzystać jego funkcje.

Standaryzacja

Jeśli zauważysz, że schematy są ponownie wykorzystywane w wielu projektach, które wiążą się z istotnymi kosztami inżynieryjnymi lub ryzykiem związanym z projektowaniem płytki, może to być dobry moment, aby stworzyć podzespoły. Typowym przykładem jest wysokowydajny lub wysokoniezawodny przetwornik napięcia pracujący w trybie przełączania. Izolowane regulatory również często dzieli się na podzespoły.

Oddzielając część projektu, która wymaga znaczących inwestycji inżynieryjnych, umożliwia to szybkie ponowne użycie bez dużych kosztów inżynieryjnych związanych z kwalifikacją projektu zintegrowanego z nową płytką obwodu drukowanego.

Strategie montażu powierzchniowego modułów

Tworząc własny moduł montażu powierzchniowego, musisz rozważyć, jak nowy moduł będzie przymocowany do płyty głównej. Jeśli zamierzasz produkować duże ilości modułów, prawdopodobnie będziesz musiał ocenić obie najpopularniejsze metody wraz z procesem montażu, aby określić najwyższą niezawodność i łatwość montażu.

Land Grid Array

Wybierając komponenty, prawie na pewno natknąłeś się na układy Land Grid Array (LGA) - gołe pady pod układem scalonym lub zespołem. Jeśli masz dużą liczbę połączeń do wykonania na małej przestrzeni, LGA może być idealnym podejściem. Główne wady są takie same jak w przypadku każdego innego komponentu LGA - trudność z inspekcją połączenia i wyzwania związane z prototypowaniem. Możesz również napotkać dodatkowe koszty u partnera montującego płytki ze względu na dodatkowy czas konfiguracji maszyny - wczesne zaangażowanie partnerów do produkcji płytek i montażu w proces projektowania może znacznie poprawić niezawodność i obniżyć koszty.

Źródło: U-Blox NORA-B106 na Digi-Key

Powinieneś unikać via w padzie zarówno na płytce gospodarza, jak i modułu, aby nie tworzyć kieszeni powietrznych w lutowiu, ani nie wyciągać lutowia przez działanie kapilarne.

LGA jest również bardzo opłacalne dla produkcji modułów. Niektórzy producenci płyt mogą pobierać wyższe opłaty za pady z zamkami.

Pady z zamkami

Wiele komercyjnych modułów wykorzystuje pady z zamkami, i to z dobrych powodów. Pady z zamkami są bardzo niezawodne i bardzo łatwe do ręcznego lutowania i inspekcji. Dzięki wciąganiu lutowia na bok płytki można również osiągnąć dobrą gęstość prądu.

Pad z zamkiem jest efektywnie metalizowanym otworem przelotowym, który w procesie produkcji płytki jest frezowany na pół. Ścieżka narzędzia frezującego na Twoim panelu przejdzie przez środek otworu, pozostawiając na krawędzi płytki metalizowaną muszlę z padem na górze i dole płytki.

Źródło: DIGI Xbee Pro XB8X na Digi-Key

Posiadanie padów tylko na krawędzi płytki ułatwia również trasowanie płytki gospodarza i nie będzie kolidować z umieszczeniem via czy ścieżek na płytce modułu. Pady na krawędzi mogą być bezpośrednio połączone ze ścieżką lub płaszczyzną na dowolnej warstwie, co może ułatwić trasowanie do padów połączeniowych na module.

Projektowanie Padów z Zamkiem

Trudno jest popełnić błąd przy projektowaniu padów z zamkiem, jednak istnieją pewne aspekty, które należy wziąć pod uwagę, aby zapewnić sukces. Jeśli jesteś nowy w tworzeniu padów z zamkiem, warto pobrać pliki Altium dla komercyjnych modułów, gdzie są one dostępne od producenta, tak jak zrobiłem to dla modułu ATWINC1500, którego używam w tej wielopłytowej konstrukcji. Przyjrzenie się układowi padów i rozmieszczeniu w komercyjnie udanych modułach z klasy podobnej do tworzonego przez Ciebie modułu może dać Ci pewne pomysły na to, co działa dobrze, zanim zaczniesz własne eksperymenty.

Asymetryczny Pad

Podczas tworzenia padu z ząbkami, układ warstw będzie prawie zawsze asymetryczny. Górne i wewnętrzne pady są zwykle okrągłe i mają rozmiar jak każdy pad przelotowy lub via. Dolny pad jest jednak zwykle powiększany, aby zapewnić większą powierzchnię miedzi i kontakt z lutem. Dzięki temu pad z ząbkami może być niezawodnie używany zarówno z płytkami z naniesioną pastą lutowniczą za pomocą szablonu, jak i przy lutowaniu ręcznym.

Obrzeża Platerowane

Jeśli wymagasz wyższej gęstości prądu, lub nawet większej niezawodności, możesz również mieć platerowane krawędzie płytki poza otworem przelotowym. To platerowanie jest zwykle dodawane do szerokości dolnego pada, zapewniając większą powierzchnię kontaktową na boku modułu. Większość producentów płyt będzie pobierać wyższą opłatę za tę usługę, a producenci płyt o niskim koszcie i dużej różnorodności mogą po prostu zignorować to, nawet jeśli zauważą notatkę fabryczną.

Dobry Punkt Wyjścia

Jeśli nie brakuje Ci miejsca na krawędzi, zacznij od większych padów dla swoich początkowych prototypów. Gdy zaczniesz czuć się bardziej komfortowo z procesem i zobaczysz wyniki swoich początkowych modułów, możesz zacząć optymalizować rozmiar w dół, jeśli jest to konieczne.

Pady Microchip ATWINC1500

Jako przykład tego, pady Microchip na module ATWINC1500 mają otwór metalizowany o średnicy 0,635mm i kwadratowy pad 0,8mm dla wszystkich warstw. Posiadają dodatkowo okrągły pad 1,7 x 0,8mm na dolnej warstwie (poniżej przesunięty w lewo, aby pokazać, że są oddzielne).

Microchip zaleca pad 0,8 x 1,9mm na płycie głównej, z padem wyśrodkowanym na obrysie modułu.

Moje pady z zamknięciami

Zawsze robiłem rzeczy trochę inaczej niż w przykładzie Microchip powyżej, preferując określenie pełnego stosu padów w jednym padzie.

Moje pady do modułów RF zwykle mają otwór metalizowany o średnicy 0,4mm, z prostokątnym górnym padem 0,8 x 1mm. Dolny pad ma wymiary 0,8 x 2mm wyśrodkowane na otworze, zapewniając obszar odsłoniętej miedzi 0,8 x 1mm pod płytą. Pad montażu powierzchniowego na płycie głównej dla tych padów ma szerokość 0,8mm i długość 1,8mm, wyśrodkowany pod obrysem modułu.

 

Dla płyt o mniejszej ilości, które prawie na pewno będą lutowane ręcznie, używam większych otworów tam, gdzie gęstość pinów nie jest krytyczna. Mają one 1,2 mm otwór metalizowany i 1,5 x 2 mm górną płytę z 2,5 x 2 mm dolną płytą. Mają one mniej odsłoniętego miedzianego podłoża pod płytą, ponieważ większy otwór metalizowany po boku zapewni większość kontaktu lutowniczego podczas ręcznego lutowania ich do płyty głównej.

 

Twój Własny Moduł

Kiedy tworzysz swój własny moduł, powinieneś stworzyć swoje pady zamkowe jako pojedynczy odcisk/symbol, ponieważ to ułatwi tworzenie projektu wielopłytowego i również zapewni, że żaden pojedynczy pad lub grupa padów nie zostanie przypadkowo przesunięta, co mogłoby spowodować problemy z wyrównaniem w przyszłości.

Projektowanie Płyty Głównej

Jak wspomniano wcześniej, zamierzamy przekształcić nasz poprzedni schemat czujnika i wyświetlacza LCD w samodzielną płytę. Początkowo ta płyta będzie rozwijana przy użyciu części bibliotecznej, która ma wbudowany moduł WiFi jako model STEP. Wiele firmowych bibliotek wykorzystuje to podejście do projektowania wielopłytowego, jednak nie jest to optymalne rozwiązanie. Dzięki imponującej integracji MCADECAD w Altium, bezpośrednia praca z projektem płyty ma większy sens niż eksportowanie modelu STEP modułu i ponowne importowanie go - szczególnie na wczesnym etapie projektowania. W miarę ewolucji wymagań modułu i płyty głównej, użycie montażu wielopłytowego pozwala upewnić się, że wszystko jest zsynchronizowane.

Po zakończeniu projektowania płyty przy użyciu komponentu bibliotecznego, pokażę Ci, jak łatwo jest przełączyć istniejące projekty wielopłytowe oparte na bibliotece na montaż śladu + wielopłytowy.

Aby uczynić to urządzenie autonomicznym i zdolnym do pracy na zewnątrz jako stacja pogodowa, potrzebne jest źródło zasilania. Używam mikrokontrolera STM32L031K, który zostanie skonfigurowany do bardzo niskiego poboru mocy, jednak chcę zapewnić, że płyta będzie mogła kontynuować pracę bez zewnętrznego zasilania przez pewien czas, jeśli będzie to wymagane. Używam dwóch baterii 18650, tak jak w moim projekcie UPS 12V, jednak tym razem używam innego układu ładowania ze względu na braki chipów i inne wymagania. 

Chciałbym, aby moja stacja pogodowa była zasilana energią słoneczną, jednak znajduję się na bardzo dalekiej północy Szkocji, gdzie zimą dni trwają tylko 5 godzin i możemy być uwięzieni w banku mgły lub gęstej chmurze przez dni - nie są to idealne warunki dla urządzeń zasilanych energią słoneczną. Użycie dwóch baterii 18650 pozwoli mi na działanie stacji pogodowej przez około 6 tygodni bez zewnętrznego zasilania, jeśli będzie to konieczne. Mam również ogromny kondensator 6000uF na wejściu, aby pomóc radzić sobie ze zmiennymi warunkami oświetleniowymi, utrzymując ładowarkę w optymalnym stanie pracy.

 

Używam układu ładowania dwóch ogniw litowych Microchip MCP73213 do mojego projektu. Posiada szeroki zakres napięć wejściowych, co sprawdza się zarówno przy zasilaniu solarnym, jak i sieciowym, jeśli jest używany w pomieszczeniach, a także programowalny prąd ładowania. Konkretnie używam modelu ładowania 8,2V, pomimo że moje baterie mają maksymalne napięcie ładowania 8,4V. Ponieważ spodziewam się, że te baterie przez większość roku będą w pełni naładowane, utrzymanie ich w stanie nieco mniejszym niż pełne naładowanie powinno poprawić ich żywotność, a przy tak dużej pojemności niewielki spadek pojemności nie powinien być zauważalny. Prąd ładowania można wybrać za pomocą przełącznika suwakowego, więc można go ustawić na niski prąd dla aplikacji zasilanych energią słoneczną lub szybko naładować za pomocą adaptera sieciowego, jeśli jest to potrzebne.

 

Zamiast korzystać z układu monitorującego baterię, wybrałem prostą metodę odcięcia napięcia w przypadku całkowitego wyczerpania baterii. Używam do tego projektu liniowego regulatora, Analog Devices ADP7105, który posiada pin blokady przy niskim napięciu (Under Voltage Lock Out), aby wyłączyć regulator, jeśli napięcie baterii spadnie zbyt nisko. Zazwyczaj zasilanie urządzenia 3,3v z liniowego regulatora przy zasilaniu 8,4v byłoby uznane za bardzo nieefektywne i niekorzystne dla żywotności baterii. Po wielu poszukiwaniach wysokowydajnych regulatorów impulsowych do lekkich obciążeń, które są dostępne w magazynie, stwierdziłem, że liniowy regulator jest o wiele bardziej wydajny ogólnie.

Wyzwaniem w przypadku tego urządzenia dla regulatora impulsowego jest moduł WiFi, z prądem nadawania 290mA, jednak jeśli transmitujemy dane co 10 sekund, to pozostałe 98,5% czasu pobór prądu prawdopodobnie będzie na niskim poziomie kilkudziesięciu mikroamperów, gdzie regulator impulsowy naprawdę ma problemy. W tym przypadku, przyjęcie straty efektywności na prądzie nadawania jest warte tego ze względu na względną wydajność i niezawodność przy niskim prądzie.

TRANSLATE: Pod względem układu, mam oddzielne pola masy dla każdej z potencjalnych stref temperatur, umieszczając regulator i ładowarkę na górze płytki razem z modułem WiFi. Mam również szczeliny na płytce wokół tych potencjalnie generujących ciepło komponentów w celu dalszego ograniczenia przewodności cieplnej do czujnika temperatury. Podobnie jak w przypadku osłony, czujnik temperatury znajduje się na dole płytki w swoim własnym termicznie izolowanym regionie.

 

Przejście na montaż wielopłytowy

Do tej pory, ten projekt używał elementu biblioteki dla modułu RF, co może być sposobem, w jaki Twoja firma obecnie radzi sobie z wewnętrznymi podzespołami. Pobrałem pliki Altium dla płytki ze strony internetowej Microchip. Jako że pliki projektowe używają pojedynczego footprintu dla padów z ząbkami, wszystko co musiałem zrobić, to powiedzieć Altium Designer, że złącze jest przeznaczone do projektu wielopłytowego, dodając parametr o nazwie „System” do symbolu schematycznego i nadając mu wartość „Connector”. Przygotowanie płytki podzespołu do połączenia wielopłytowego jest takie proste.

 

Dla płyty głównej musiałem wykonać trochę więcej pracy, ponieważ miałem już ślad z modelem STEP w środku. Skopiowałem pliki symbolu i śladu z mojej biblioteki do folderu projektu, aby mieć lokalną kopię do modyfikacji.

 

W śladzie usunąłem obiekt 3D, a następnie dodałem ślad do symbolu schematycznego. Po zmianie symbolu w moim schemacie na nowy lokalny symbol, dodałem do symbolu parametr System = Złącze. W końcu zaktualizowałem dokument PCB ze schematu, a następnie na PCB uruchomiłem aktualizację z bibliotek PCB, aby odświeżyć ślad.

 

PCB ma teraz ślad bez obiektu i jest oznaczony jako złącze wielopłytowe gotowe do montażu.

Tworzenie projektu wielopłytowego

Aby dodać naszą płytę modułu RF do płyty głównej, musimy utworzyć nowy projekt wielopłytowy. Tworzenie nowego projektu wielopłytowego jest prawie takie samo jak typowy projekt PCB, z wyjątkiem wyboru opcji Wielopłytowy zamiast PCB na ekranie tworzenia projektu.

 

Następnie dodajemy schemat wielopłytowy i dwa moduły. Każdemu modułowi nadajemy tytuł i wybieramy dla niego projekt/płytę.

 

Aby dodać wcześniej przygotowane złącza, przechodzimy do Projektowanie -> Importuj projekty podrzędne, co spowoduje dodanie złącz do modułów.

 

Następnie możemy dodać bezpośrednie połączenie między dwoma modułami. Tym razem Altium Designer nie był w stanie automatycznie dopasować połączeń dla obu modułów, więc możemy kliknąć na jedno z połączeń i w oknie właściwości ręcznie przypisać odpowiadający mu pin.

 

Po prawidłowym połączeniu pinów, możemy dodać wielopłytową PCB do projektu, zapisując ją, jak tylko zostanie dodana. Następnie, ze schematu, przechodzimy do Projektowanie -> Aktualizuj montaż, aby zaimportować moduły do wielopłytowej PCB. W zależności od złożoności sprzętu i specyfikacji tej maszyny, może to zająć trochę czasu. Jednakże, dla tego stosunkowo prostego projektu, zajęło to mniej niż sekundę na moim komputerze.

 

Zamiast korzystać z narzędzi łączących, które używaliśmy w poprzednim artykule, chciałbym pokazać, że możemy dowolnie pozycjonować komponenty wielopłytowe gdziekolwiek chcemy, jeśli wymaga tego projekt. Klikając na moduł radiowy, możemy użyć Widoku Gizmo, aby przeciągnąć go na miejsce na naszej płycie głównej.

 

Wynik

W tym artykule zbudowaliśmy płytę czujnika środowiskowego, która mogłaby służyć jako prosta stacja pogodowa do użytku wewnętrznego lub zewnętrznego, demonstrując użyteczność certyfikowanego modułu podzespołu RF. Omówiliśmy, jak i dlaczego tworzylibyście moduł podzespołu dla własnych projektów. Używanie montażu wielopłytowego zamiast statycznego modelu 3D w bibliotece dla niestandardowych modułów montażu powierzchniowego zapewnia, że wasze płyty pozostają zsynchronizowane przez cały proces projektowania i umożliwia lepszą integrację mechaniczną między płytami. 

Mam również stację pogodową Davis Instruments Vantage Pro2, więc będzie interesujące porównać długoterminowe dane z tego projektu stacji pogodowej z produktem skalibrowanym przez NIST.

Jak montaż wielopłytowy zaoszczędzi czas i zwiększy twoją produktywność? Porozmawiaj z ekspertem w Altium już teraz, aby się dowiedzieć.

O ALTIUM

Altium LLC (ASX: ALU) to międzynarodowa korporacja oprogramowania z siedzibą w San Diego w Kalifornii, która skupia się na systemach projektowania elektroniki dla projektowania PCB 3D oraz rozwoju systemów wbudowanych. Produkty Altium znajdują się wszędzie - od wiodących na świecie zespołów projektujących elektronikę po podstawową społeczność projektującą elektronikę.

Dzięki unikalnemu zakresowi technologii Altium pomaga organizacjom i społecznościom projektującym w innowacjach, współpracy i tworzeniu połączonych produktów, pozostając jednocześnie w ramach terminów i budżetu. Dostarczane produkty to Altium Designer^®, Altium Vault^®, CircuitStudio^®, PCBWorks^®, CircuitMaker^®, Octopart^®, Ciiva^® oraz TASKING^® - gama kompilatorów oprogramowania wbudowanego.

Założone w 1985 roku, Altium posiada biura na całym świecie, z lokalizacjami w USA w San Diego, Bostonie i Nowym Jorku, lokalizacjami w Europie w Karlsruhe, Amersfoort, Kijowie i Zug oraz lokalizacjami w regionie Azji i Pacyfiku w Szanghaju, Tokio i Sydney. Aby uzyskać więcej informacji, odwiedź www.altium.com. Możesz również śledzić i angażować się w Altium za pośrednictwem Facebooka, Twittera i YouTube.

Pobierz PDF