Faza koncepcyjna – Projekt pokrywy, część 2

Kontynuujemy podróż przez projektowanie montażu pokrywy w naszym projekcie Open Source Laptop.

Projektowanie adaptera testowego — Układ

Teraz musimy umieścić całą naszą pracę w rzeczywistym projekcie sprzętowym. Układ tej płytki jest prosty, ponieważ mamy tylko jeden interfejs wysokiej szybkości, na który musimy zwrócić szczególną uwagę.

Interfejs DisplayPort może kompensować opóźnienia do 20UI zgodnie ze specyfikacją. UI to skrót od Jednostki Interwału (Unit Interval), która jest odwrotnością szybkości bitowej. Dla połączenia 2,7Gbps, którego używamy, oznacza to 370ps na UI. Chociaż kompensacja opóźnień do 20UI jest możliwa, lista kontrolna sprzętu zaleca maksymalne przesunięcie parowe wynoszące +/- 1UI lub 740ps.

Przesunięcie wewnątrz pary jest znacznie bardziej krytyczne, z dopuszczalnym przesunięciem poniżej 10ps.

Impedancja różnicowa głównego połączenia DisplayPort (cztery pary danych ML0 – ML3) musi być kontrolowana na poziomie 100 omów.

Kanał AUX działa z dużo niższą prędkością wynoszącą tylko 1MHz. Dla uproszczenia będziemy traktować kanał AUX jako część głównego połączenia, jeśli chodzi o reguły projektowania PCB.

Zwykle podczas ustawiania reguł prowadzenia ścieżek chcielibyśmy pracować z profilem impedancji zdefiniowanym w menedżerze stosu warstw. W przypadku tego PCB nie używamy tej funkcjonalności, ponieważ wartości impedancji zostały już zweryfikowane i dostarczone przez naszego producenta PCB.

Aby uzyskać dokładne wartości opóźnienia dla głównego połączenia, można użyć sygnałów X-signals do wyodrębnienia poprawnego opóźnienia od złącza do złącza oraz do zmostkowania przerwy przez szeregowe rezystory.

Sygnały X wyróżnione dla głównego łącza DP

Szybka wskazówka nr 1 - tworzenie elementów sitodruku

Zanim przejdziemy do układu, chciałbym podzielić się szybką wskazówką dotyczącą tworzenia elementów sitodruku dla obrysu złącza DisplayPort. Sitodruk powinien pokazywać obrys i wszelkie inne ważne cechy części, które ułatwiają identyfikację pozycji komponentu na PCB. Staje się to szczególnie ważne, jeśli dla wyjścia produkcyjnego rysunku montażowego nie używa się oddzielnej warstwy montażowej.

Zamiast ręcznie rysować elementy sitodruku w edytorze obrysu, znacznie szybciej może być zaimportowanie ich z narzędzia CAD używanego do przygotowania modelu 3D części.

Musimy jedynie wybrać powierzchnie zawierające cechy, które chcielibyśmy zobaczyć na warstwie sitodruku i wyeksportować plik DXF tych powierzchni. Teraz możemy po prostu zaimportować plik DXF do Altium Designer. Ponieważ użyliśmy tego samego początku przy eksporcie pliku CAD 3D, sitodruk jest automatycznie prawidłowo umieszczony w stosunku do modelu 3D komponentu.

Przepływ pracy z CAD na sitodruk przy użyciu konturów DXF

Ponieważ na płytce nie ma zbyt wielu komponentów, trasowanie nie będzie zbyt trudne. Mamy do dyspozycji dwie warstwy sygnałowe - Górę i Dół - do trasowania sygnałów wysokiej prędkości. Dwie wewnętrzne warstwy będą płaszczyznami odniesienia masy. Ponieważ płaszczyzna odniesienia również się zmieni, jeśli zmienimy warstwę trasowania z górnej na dolną wraz z sygnałem, musimy pamiętać o umieszczeniu ścieżek powrotnych Vias blisko Vias sygnałowych.

Rezystor trymerowy jest umieszczony blisko krawędzi płytki dla łatwej dostępności.

Punkty testowe, obudowy rezystorów 0402 i diody ESD spowodują nieciągłości impedancji na głównych liniach sygnałowych linku. Ogólne wytyczne trasowania DisplayPort nie wymagają wycięcia płaszczyzny masy pod punktami testowymi lub obudowami komponentów. Należy to dodatkowo zweryfikować w finalnej implementacji przy użyciu odpowiednich narzędzi symulacyjnych.

Z trasowaniem zakończonym tak wygląda gotowa płyta:

Finalizacja układu DP do eDP

Po ostatnim sprawdzeniu, czy nie ma kolizji między złączami płytki a złączami kabli, możemy przeprowadzić ostateczne sprawdzenie zasad projektowania i zamówić płytki.

Montaż płytek

Po otrzymaniu surowych PCB i szablonu pasty lutowniczej od producenta, możemy w końcu zmontować i przetestować PCB.

Używamy pasty lutowniczej Henkel GC10 z rozmiarem cząstek T4 dla tej płytki. Szablon ma standardową grubość 100um. Pady użyte na tej płytce są stosunkowo duże. Dla komponentów o drobnym rozstawie lub komponentów z bardzo małym otworem szablonu, może być użyta pasta lutownicza o mniejszym rozmiarze cząstek i cieńszy szablon. Dla naszej płytki standardowe wartości są odpowiednie.

Adapter PCB z nadrukiem pasty lutowniczej

Adapter PCB z umieszczonymi na paście lutowniczej komponentami

Adapter PCB z zamontowanymi komponentami do lutowania reflow

Po umieszczeniu wszystkich komponentów, lutowanie płytki odbywa się w piecu reflow z fazą parową. Użycie procesu z fazą parową zapewnia bardzo delikatny proces lutowania, jednocześnie gwarantując, że żaden komponent nie zostanie przegrzany.

Wtedy zdałem sobie sprawę, że przypisanie pinów złączy DisplayPort nie pasuje. Wcześniej wspomniałem, że rozkład pinów kabla DisplayPort nie jest identyczny na obu końcach. Niestety, musiałem się o tym przekonać na własnej skórze, dlatego teraz płyta jest zielona zamiast czarnej.

Po przylutowaniu pozostałych komponentów THT do płyty jesteśmy gotowi do testów:

Przylutowana płytka adaptera DP główny link

Przylutowana płytka adaptera 3.3V PSU

W pełni zaludniona płytka adaptera

Testowanie panelu wyświetlacza

Nadszedł wreszcie czas, aby przetestować wyświetlacz. Po zweryfikowaniu funkcjonalności generatora PWM oraz regulatora 3.3V możemy podłączyć panel wyświetlacza. Moje DELL XPS 9500 będzie dostarczać źródło DisplayPort, a laboratoryjne zasilanie z wbudowanym monitorem mocy zapewni 12V dla adaptera.

Po podłączeniu panelu, zostaje on poprawnie rozpoznany przez DELL XPS z odpowiednią rozdzielczością ekranu. Po aktywacji podświetlenia wyświetlacza i dezaktywacji autotestu za pomocą odpowiednich zworków, panel się świeci!

Udany test panelu wyświetlacza

Niestety, mogę używać mojego aparatu tylko jako "przyrządu pomiarowego" do porównywania wyświetlacza z innymi laptopami, do których mam dostęp. Wykonałem kilka zdjęć, aby porównać jasność i stosunek kontrastu z innymi urządzeniami za pomocą Photoshopa. Zmiana pozycji aparatu co 10° względem centrum wyświetlacza daje pierwsze wrażenie na temat użytecznego kąta widzenia. Podzielę się wynikami w przyszłej aktualizacji, jak tylko będę miał gotowe bardziej niezawodne ustawienie pomiarowe. Na podstawie wstępnych wyników pomiarów i moich osobistych wrażeń mogę powiedzieć, że ten panel będzie częścią projektu laptopa open-source!

To wszystko na tę aktualizację. Dziękuję za poświęcony czas i zainteresowanie! W następnych aktualizacjach dotyczących projektu pokrywy przyjrzymy się bliżej mechanicznej integracji wyświetlacza oraz kamery internetowej i klawiszy dotykowych. Mówiąc o tych płytach, przyjrzymy się również elektrycznemu projektowi tych komponentów. Jak wspomniano w tej aktualizacji, musimy jeszcze znaleźć sposób na sztywny mikro-koaksjalny kabel wyświetlacza — kolejna rzecz, którą zamierzamy zbadać. Mam nadzieję, że będziesz kontynuować śledzenie!