Rozpoczynanie pracy z mikrokontrolerem nRF52 na płytce PCB

Kliknij tutaj, aby przejść do osadzonego widoku i przeglądać ten projekt

Większość producentów półprzewodników opracowała i wypuściła własną linię mikrokontrolerów, a Nordic Semiconductor nie jest wyjątkiem. Jednym z ich najbardziej znanych produktów jest nRF52, układ SoC zdolny do komunikacji RF z wbudowanym transceiverem. Ten komponent jest mały, oferuje dużą liczbę wejść/wyjść i ma numer części w obudowie BGA o drobnym rozstawie wyprowadzeń.

W tym artykule pokażę przykład układu PCB, który wykorzystuje wersję obudowy BGA o drobnym rozstawie wyprowadzeń nRF52. Na końcu artykułu będziesz mieć możliwość pobrania plików źródłowych tego projektu. Bez zbędnej zwłoki, przejdźmy do przykładu układu PCB, który zawiera nRF52.

Dla widzów, którzy chcą zobaczyć cały proces projektowania tego komponentu, stworzyliśmy następującą listę odtwarzania, która prowadzi użytkowników przez proces wykorzystania nRF52 w układzie PCB. W szczególności omawiamy, jak używać wersji komponentu o dużej gęstości (rozstaw kul 0,35 mm) w projekcie wymagającym pewnych technik projektowania HDI. Pokażemy również całą inżynierską podróż, która doprowadziła nas do ostatecznej wersji naszego modułu nRF52.

Projektowanie front-endu

nRF52 dostępny jest w kilku różnych obudowach o małych rozmiarach. Ten chip stał się popularny jako mikrokontroler z możliwością obsługi Bluetooth, mający umiarkowaną liczbę pinów i standardowe interfejsy cyfrowe, w tym możliwość użycia USB w urządzeniu. Komponent ten jest przeznaczony do małych urządzeń wbudowanych z łącznością Bluetooth 5.

W tym projekcie użyjemy komponentu nRF52840-CKAA-R7, 93-pinowego WLCSP z obudową BGA. Ten procesor jest znany z działania przy niskim poborze mocy, gdy nie nadaje, więc można go używać z małą baterią. Dodamy do tego systemu nieco regulacji baterii i obwodów ochrony przed odwróceniem polaryzacji, aby mógł on skutecznie działać na zasilaniu bateryjnym.

Obudowa nRF52840 WLCSP

Obudowa dla nRF52840-CKAA-R7 jest pokazana poniżej. Pasek miary między kulkami pokazuje, że rozstaw wynosi 0,35 mm. Jest to bardzo drobny rozstaw i będzie wymagał zastosowania niektórych technik projektowych używanych w projektach HDI.

Inne ważne komponenty

Zajmiemy się rozmieszczeniem pinów i rozwinięciem dla tego komponentu w jednej z poniższych sekcji. Na razie pojawi się kilka innych komponentów, które pojawią się w projekcie:

• TPS70933DBVR - Regulator liniowy o niskim prądzie
• FR015L3EZ - Ochronnik przed odwrotną polaryzacją dla niskiej strony
• BD33HC0MEFJ-ME2 - Regulator 3V3/1A dla obwodów logicznych
• PCF8523TK - Zegar czasu rzeczywistego (RTC) z interfejsem I2C
• CAT24C512WI-GT3 - EEPROM 512 KB

Urządzenie początkowo będzie musiało być podłączone do baterii LiPo za pomocą standardowego złącza 2-pinowego, i będziemy musieli zawrzeć przynajmniej jedno złącze nagłówkowe do dostępu do I/O oraz programowania płytki. Liczba I/O jest większa, niż zwykle mieści się na jednym złączu nagłówkowym, więc to kwestia oceny, czy dołączyć drugie złącze nagłówkowe tylko dla dostępu do I/O. Na razie będziemy kontynuować z złączem baterii i jednym złączem nagłówkowym I/O, a zawsze możemy dodać kolejne złącze później.

Rozpoczęcie pracy: Schematy

Schematy tego urządzenia nie są zbyt skomplikowane i wszystkie obwody zmieszczą się na jednej stronie. Pokażę różne regiony schematów indywidualnie, aby cały projekt był jasny i łatwy do odczytania.

Najpierw przyjrzyjmy się sekcji zasilania. W tym urządzeniu zasilanie 3V3 zapewnia niskoszumny, niskoprądowy LDO o nominalnym prądzie wyjściowym 150 mA. LDO pobiera moc z baterii (VBAT) jako wejście i przekształca ją na pożądane wyjście 3V3.

Na podstawie połączeń sieciowych dla VBAT i VDD1, widzimy, że istnieją dwa sposoby zasilania płytki:

• Zastosowanie 3V3 bezpośrednio do VDD1, na przykład przez złącze pinowe
• Zastosowanie napięcia bezpośrednio do sieci VBAT, również przez jeden z konektorów

W pierwszym przypadku zasilany byłby tylko MCU i RTC; nie byłoby zasilania dla peryferiów. W drugim przypadku zapewniałbyś zasilanie dla całego systemu, a teraz VDD1 byłby wyjściem, a nie wejściem.

Zauważysz, że drugi regulator dostarcza zasilanie 3V3 dla sieci VDD2. Ten regulator zawiera pin włączający, więc urządzenie może najpierw uruchomić się korzystając z VDD1, a następnie peryferia (w tym przypadku EEPROM) mogą być zasilane przy użyciu VDD2. Daje to urządzeniu możliwość wyłączania swoich peryferii, gdy nie jest używane, poprzez przełączanie pinu VDD2_ENABLE. Gdybyśmy mieli jakiekolwiek inne peryferia, które chcielibyśmy dołączyć do tego projektu, które nie są kluczowe dla uruchomienia urządzenia, chcielibyśmy połączyć je z VDD2 zamiast z VDD1.

Następnie przyjrzyjmy się połączeniom nRF52840. Zostały one zapożyczone z płytki deweloperskiej Nordic, a oryginalny zestaw połączeń na ich komponentach można uzyskać w ich plikach projektowych Altium.

Tutaj wyodrębniłem kilka interfejsów, a większość układów wspierających zawiera kryształy referencyjne i kilka kondensatorów. Kondensatory mają różne rozmiary, od dużych obudów do masowego odsprzęgania, po małe obudowy (0201) do odsprzęgania na szynie VDD1. W tym komponencie pozostało jeszcze wiele wolnych pinów, które mogłyby być wykorzystane dla innych peryferii. Ostatecznie wydzielę niektóre dodatkowe wejścia/wyjścia oraz interfejs SPI do złącza pinowego, jak pokazano później w serii wideo.

Jeśli spojrzysz na pin E1, zobaczysz połączenie anteny. Początkowo, zaczynając od oryginalnych schematów i układu w projekcie referencyjnym, ta sieć dopasowania impedancji używała różnych wartości kondensatorów wyjściowych. Sieć dopasowania impedancji pokazana poniżej została określona przez inżynierię wsteczną impedancji anteny za pomocą kalkulatora online i modyfikację sieci dopasowania tak, aby była symetryczna. Zamiana kondensatora wyjściowego 0,8 pF w projekcie referencyjnym na pokazany poniżej kondensator wyjściowy 1,2 pF daje w zasadzie tę samą wydajność.

To w zasadzie kończy część przechwytywania schematu, a pozostałe obwody są proste do implementacji. Możemy teraz przejść do projektowania PCB.

Projektowanie PCB

Po przejściu do projektowania PCB mamy kilka ważnych zadań do wykonania, aby użyć nRF52840 w WLCSP:

• Określenie stosu warstw i rozwinięcia BGA
• Umieszczenie anteny jako elementu drukowanego
• Umieszczenie i trasowanie innych układów scalonych, aby nie zakłócały sekcji RF

Stackowanie i Fanout

Głównym czynnikiem decydującym o strategii układania warstw i rozmieszczenia wyprowadzeń jest rozstaw kulek na obudowie nRF52. Czytelnicy mogą zauważyć powyżej, że rozstaw kulek wynosi 0,35 mm. Rozmiar padu w mojej stopce wynosi 0,212 mm, co jest odpowiednim rozmiarem zgodnie z normami IPC dotyczącymi stop footprints BGA. Przekątna między padami wynosi 0,495 mm. Pomiary te przedstawiono poniżej.

Jeśli próbowalibyśmy użyć rozmieszczenia wyprowadzeń typu dog bone z przelotowymi otworami wiertniczymi do prowadzenia ścieżek do wewnętrznych pinów, zostałoby nam tylko około 1-2 mils przestrzeni między otworami a sąsiednimi padami. Jest to zbyt mało dla większości zakładów produkcyjnych, aby móc prawidłowo wytrawić. Wymagałoby to również bardzo małego rozmiaru wiertła, około 4 mil z padem o średnicy 8 do 9 mil. Te wartości są po prostu zbyt małe, aby można było je zastosować w standardowej produkcji.

Dlatego użyłem rozwinięcia wyprowadzeń przez otwory z użyciem ślepych i zakopanych przelotek, aby dotrzeć do wewnętrznych warstw. Ponieważ rozmiar pada wynosi około 8,3 mila, możemy użyć ślepych/zakopanych przelotek o średnicy 4 milów z padami o średnicy 8 milów. Aby utrzymać stosunek aspektu 1:2, potrzebowalibyśmy grubości warstw zewnętrznych o wartości 4 milów dla naszych przelotek ślepych/zakopanych. Dałoby to w sumie 6 warstw, jak pokazano w poniższym układzie warstw.

Umieszczenie komponentów i anteny

Po zakończeniu układu warstw i rozwinięcia wyprowadzeń, moje początkowe rozmieszczenie elementów na tej płytce przedstawiono poniżej. Dołączyłem kilka wielokątów do trasowania zasilania przed dokończeniem pozostałych połączeń. Początkowe umieszczenie 6-pinowego nagłówka zostało użyte do programowania i odczytu napięć. Kolejnym punktem do rozważenia jest umieszczenie anteny, a na końcu możemy zakończyć na wyjściach I/O do naszych złączy.

W tej konstrukcji użyjemy drukowanej anteny do wysyłania i odbierania sygnałów bezprzewodowych. Najlepsze miejsce na umieszczenie drukowanej anteny dla nRF52 to wzdłuż krawędzi płytki. Pozwoli to trzymać antenę z dala od sekcji cyfrowej. Antena łączy się z pinem E1 na nRF52840.

Jeśli przyjrzysz się projektowi referencyjnemu nRF52, zobaczysz, że dostarczają przykład anteny drukowanej, która może być włączona do innych projektów. Ta antena to antena kwartalna, co można zweryfikować, obliczając długość anteny i porównując ją z długością fali sygnału 2,45 GHz w konfiguracji mikropaska bez uziemienia. Sieć dopasowania impedancji pokazana na powyższych schematach powinna zapewnić wystarczające dopasowanie, biorąc pod uwagę różnice w układzie warstw tej płytki.

Nagłówek programowania SWD i nagłówek I/O

Jeśli zdecydujesz się wyprodukować tę płytę, będziesz musiał ją zaprogramować. Dokumentacja nRF52840 dostarcza przewodnik do programowania urządzenia za pomocą protokołu SWDIO, używając tylko 4 pinów:

• VDD (zasilanie systemu)
• SWDIO (J2)
• SWDCLK (H2)
• GND

Dlatego zamieniłem nagłówek 1x6 pin na nagłówek SWD, ponieważ jest to standardowy kabel używany do programowania wielu płyt mikrokontrolerów (mam również kilka kabli SWD w moim laboratorium). Zauważ, że pin nReset (K6) jest opcjonalny do programowania, ale zamierzam go uwzględnić w rozpince nagłówka SWD wraz z połączeniem VBAT. Ostateczna rozpiska pinów na moim nagłówku SWD jest pokazana poniżej.

Programatorem, którego wolę używać do tego typu urządzenia, jest programator PRESTO, dostępny na ASIX.net. Ten programator obsługuje długą listę urządzeń, w tym nRF52840 oraz inne produkty firmy Nordic. Będziesz musiał stworzyć niestandardowe rozmieszczenie pinów dla kabla w PRESTO, ale jest to dość proste do wykonania przy użyciu przewodów latających.

Następnie zdecydowałem się zamienić początkowo wybraną nagłówkę 1x6 na nagłówkę 2x7, aby móc wyprowadzić dodatkowe I/O. Nagłówek został umieszczony w lewym górnym rogu płytki. Dodałem rezystory szeregowe 22 Ohm na tych I/O, aby spowolnić sygnały wchodzące na płytę lub wychodzące z płyty na wypadek, gdyby EMI stało się problematyczne w tych połączeniach. Jeśli okaże się, że nie są potrzebne, zawsze mogę je zamienić na rezystory 0 Ohm.

Finalizacja układu

Ukończony układ PCB został pokazany na poniższym obrazie. Dodałem kilka logotypów, ustawiłem numer części w dolnej prawej części płytki oraz wyrównałem rezystory na liniach I/O wzdłuż dolnej połowy złącza pinowego. Przeprowadziłem również końcowe czyszczenie na sitodruku, tak aby wszystkie oznaczenia były czytelne i nie zachodziły na siebie. Na tym etapie projekt przeszedł końcową kontrolę DRC i jest gotowy do produkcji.

Pliki źródłowe i przyszłe rewizje

Chociaż trasowanie mogłoby zostać poprawione w kilku miejscach, aby oczyścić dostęp do I/O, płyta będzie funkcjonalna i jestem zadowolony z efektu końcowego. Niektóre dodatkowe funkcje, które mogłyby zostać dodane, to złącze USB oraz układ zarządzania ładowaniem USB, dzięki czemu urządzenie mogłoby być ładowane z standardowej magistrali 5V na wtyczce USB.

Kolejnym komponentem, który można dodać do projektu, jest układ towarzyszący Nordic zapewniający dostęp do WiFi dla mikrokontrolerów serii nRF52. W sierpniu 2022 roku, Nordic ogłosiło wydanie najnowszej iteracji serii nRF: nRF7002. Ten SoC oferuje wsparcie dla dwuzakresowego WiFi 6 z ultra-niskim zużyciem energii jako dodatek do produktów nRF52 lub nRF53. Przyjrzę się temu układowi towarzyszącemu w nadchodzącym projekcie i filmie.

Na razie, kliknij w ten link, aby pobrać archiwum ZIP z plikami źródłowymi projektu. Możesz również użyć linku do pobrania w powyższym osadzeniu, aby uzyskać dostęp do plików źródłowych.

Komponenty o wysokiej gęstości z sekcjami RF są łatwe do umieszczenia i trasowania z kompletnym zestawem narzędzi CAD w Altium Designer®. Kiedy zakończysz projektowanie i będziesz chciał przekazać pliki swojemu producentowi, platforma Altium 365™ ułatwia współpracę i udostępnianie projektów.

Dotknęliśmy tylko powierzchni możliwości, jakie oferuje Altium Designer na Altium 365. Zacznij swoją darmową próbę Altium Designer + Altium 365 już dziś.