Controlando Pequenos Motores DC com Altium Designer

Neste artigo, vamos percorrer a implementação real de um CI driver, desde a criação do esquemático até o layout da PCB. Você encontrará este projeto no GitHub, liberado sob uma licença de código aberto, caso simplesmente queira pegá-lo para copiar e colar no seu próprio design.

Seleção de Partes

Tenho dois motores de alta velocidade e pequenos que quero acionar, que vão consumir cerca de 1 ampere cada sob carga, e precisarei operá-los com uma fonte de energia de 30 volts em uma máquina industrial. A eletrônica original queimou e agora está obsoleta, então uma nova placa de controle precisa ser desenvolvida. Por enquanto, vou discutir apenas o driver do motor neste projeto.

Dado os requisitos e a área limitada da placa com a qual terei que trabalhar na placa de circuito final, escolhi usar o Allegro A4954 por suas classificações de 2 ampères / 40 volts e pacote TSSOP-16 com um pad térmico. Também é muito acessível, quase pelo mesmo preço de um único driver de motor, como o Allegro A4953, e outros drivers de motor único de baixo custo que você poderia usar se tivesse apenas um motor para acionar.

A principal vantagem de usar o driver IC único para nossa aplicação é que reduz o número de componentes adicionais necessários para completar o esquemático. Os únicos componentes adicionais que precisamos são alguns resistores, capacitores e um regulador de 3.3v. Eu também gostaria de adicionar um diodo e capacitor em cada terminal do motor, no entanto, para reduzir picos transitórios que poderiam danificar a Ponte H ou causar problemas de certificação de compatibilidade eletromagnética.

Design Esquemático

Normalmente, eu trabalharia com uma biblioteca de banco de dados, mas para os propósitos deste artigo, isso não criaria uma solução muito portátil para você trabalhar. Portanto, adicionei os arquivos pcblib e schlib relevantes ao projeto e incluí as impressões dos símbolos esquemáticos para começar. Isso, no entanto, significa que estamos colocando passivos genéricos em vez dos da biblioteca, o que é algo de que não sou fã. Colocar peças genéricas leva a erros, então este é um ótimo lugar para usar Concord Pro a fim de ajudar a gerenciar a biblioteca, mas sem adicionar todos os meus leitores à minha equipe do Concord Pro, nenhum deles poderia fazer uso da biblioteca que eu criaria. Portanto, para colocar peças que sei que são fontes, vou procurar cada componente necessário no painel de Pesquisa de Parte do Fabricante e, em seguida, Adicionar Link do Fornecedor e Parâmetros à Parte em cada símbolo esquemático. Isso também ajudará ao gerar uma lista de materiais, bem como ao encomendar componentes de um fornecedor.

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Altium permite que você adicione links de fornecedores, facilitando as coisas mais tarde.

Descubro que gerenciar componentes à medida que você os adiciona é crucial para garantir que cada peça seja um componente válido e passível de pedido. É muito mais fácil garantir que cada parte seja válida à medida que você as coloca do que descobrir, no final da fase de design, que um componente não pode ser obtido e que o design precisa ser retrabalhado para dar lugar a um componente substituto.

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Começamos adicionando todos os nossos componentes válidos e passíveis de fonte e passivos genéricos ao esquemático.

Estou iniciando meu design com os conectores, resistor de medição de corrente, diodo TVS e CI principal especificados.

Também tenho os símbolos genéricos de capacitor, resistor e potenciômetro adicionados, os quais copiarei e colarei conforme necessário durante o processo de design, e então especificarei uma vez que estejam no lugar correto no esquemático. Ao rapidamente elaborar um esquemático com peças genéricas em designs simples, acho isso mais rápido do que ter que voltar ao painel da biblioteca cada vez para pegar outra cópia do mesmo componente. Você pode arrastar com o shift pressionado o símbolo para cloná-lo, que é a maneira mais rápida que encontrei de colocar outro componente genérico do mesmo footprint.

Em seguida, conectamos todas as partes que dispusemos para fazer um esquemático completo.

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O esquemático completamente preenchido é bastante simples—como deveria ser com um CI de driver totalmente integrado. Eu adicionei alguns resistores de 33 ohms para proteger o microcontrolador das entradas para o CI do driver, que, em caso de algo terrível acontecer com o driver, deve limitar a corrente fluindo para o microcontrolador a níveis toleráveis. Adicionei um capacitor de 100nF e um diodo TVS às saídas do motor, o que ajudará a mitigar ESD e tensões transitórias de retorno do motor, como mencionado anteriormente. Também adicionei um divisor de tensão resistivo com um resistor variável para a perna superior para permitir que a corrente do motor seja ajustada conforme necessário. O divisor de tensão é alimentado por um simples regulador de tensão linear, o qual, tipicamente, eu não gostaria de usar com uma queda de 27v. No entanto, neste caso, a corrente de saída será suficientemente baixa para que o regulador não superaqueça.

O CI Allegro A4954 e todos os passivos conectados a ele antes da anotação.

Finalmente, uma vez que o esquemático está completamente elaborado, eu anotei o esquemático para completar os números dos designadores. Eu pessoalmente prefiro fazer isso no final da captura do esquemático, pois acho que isso geralmente me dá números de designadores que são mais agrupados do que se eu tivesse constantemente anotado logo após adicionar novos componentes. Isso pode nos dar uma ideia de onde no esquemático um componente pode estar baseado em seu designador.

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Observe como todas as partes agrupadas ao redor do driver são anotadas com números de designadores próximos.

Porque eu atribuí peças reais a cada componente no esquemático, agora tenho um ActiveBOM no projeto que pode ser usado tanto para avaliar o custo do esquemático quanto para validar que todos os componentes estão disponíveis em produção em volume. O ActiveBOM torna muito fácil avaliar rapidamente o custo por placa em diferentes quantidades de produção. No momento da escrita, meu custo de componente por placa para uma única placa seria de 7.99 USD, caindo para apenas 3.42 USD por placa em 1000 placas. De uma perspectiva orçamentária, isso pode me permitir determinar se eu preciso talvez olhar para opções alternativas para o esquemático para reduzir o preço no meu volume de produção esperado. Isso pode aumentar muito minha produtividade, pois sou capaz de fazer essa determinação antes de ter gastado qualquer tempo roteando uma PCB.

Roteamento de PCB

Como em qualquer projeto de PCB, nossa primeira tarefa é inserir os componentes no PCB com uma Ordem de Mudança de Engenharia (ECO).

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Layout do PCB após todos os componentes terem sido adicionados.

Existem algumas coisas que gosto de fazer após transferir os dados do esquemático para o PCB, primeiramente coloco todos os designadores em uma camada mecânica que chamei de Designadores para que eles não ocupem espaço real no PCB. No painel Filtro de PCB, eu uso o filtro:

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Isso seleciona todos os meus designadores e posso editá-los rapidamente na janela de propriedades para mudar a camada, e também torná-los do tipo verdadeiro e Auto-posicioná-los no centro do componente, o que resulta em desenhos de PCB mais agradáveis posteriormente, se necessário.

Em seguida, posso ativar o Modo de Seleção Cruzada a partir do menu Ferramentas (ou Shift-Ctrl-X) para selecionar grupos lógicos de componentes no esquemático. Mesmo com um esquemático pequeno e simples como este, isso me poupa tempo ao agrupar componentes na placa de circuito.

Ao selecionar o CI driver e seus componentes de suporte no esquemático, e depois voltar para o PCB, eu destaquei esses componentes da confusão de partes recém-adicionadas.

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Selecionar componentes a partir do esquemático economiza tempo em comparação a tentar encontrá-los e selecioná-los um por um no layout da PCB.

Posso então usar as Ferramentas -> Colocação de Componente -> Organizar Dentro de Retângulo (também disponível na antiga barra de ferramentas Utilitários sob o ícone de Ferramentas de Alinhamento) e desenhar um retângulo fora da placa para agrupar essas partes juntas.

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Isso me dá pequenos blocos de componentes para organizar por si só da maneira mais otimizada possível. Com projetos maiores e mais complexos, descubro que, ao organizar cada bloco lógico por si só, sou capaz de trazê-los todos para a placa de circuito de uma vez para encontrar uma rotação e posição ótimas para esse bloco, e também determinar quais sacrifícios podem precisar ser feitos na colocação dos componentes para otimizar o uso do espaço da placa. Para mim, isso economiza muito tempo e normalmente me proporciona um layout melhor do que apenas construir um layout de componentes a partir de um componente.

Os recursos de colocação de componentes permitem que os componentes sejam organizados dentro de agrupamentos que representam os blocos lógicos no esquemático.

Em poucos minutos, isso se transforma em uma placa que é relativamente compacta e deve ser roteável.

A colocação final dos componentes é roteável, logicamente organizada e compacta.

Uma rápida verificação da visualização 3D e a placa parece que também será fácil de montar manualmente, o que é uma ótima verificação a fazer para peças de baixo volume.

Visualização 3D da placa antes de adicionar as trilhas.

O roteamento desta placa é bastante simples, já que o esquemático é tão simples! O único ponto a observar é que a folha de dados do driver do motor sugere fornecer um caminho de terra dos resistores de sensação de corrente diretamente de volta ao terra do CI, com recortes poligonais para fazer esse terra estrela. Adicionei preenchimentos de terra completos tanto na parte superior quanto na inferior para começar, e então usei a ferramenta de recorte poligonal (sob o menu Colocar) para adicionar os recortes sugeridos.

A placa após ter sido roteada, preenchimentos de terra foram adicionados, e recortes poligonais foram feitos.

Eletricamente, esta placa agora parece completa, no entanto, não é muito visualmente atraente na visualização 3D.

Visualização 3D da placa após a adição das trilhas ainda parece um pouco insuficiente.

Gosto que minhas placas tenham uma aparência impecável, mesmo que sejam apenas para uso pessoal. Como engenheiro, vejo todas as placas de circuito como uma obra de arte, elas receberam tanta atenção e cuidado quanto qualquer obra-prima em um museu, então elas devem parecer à altura!

Com algumas regiões na camada de Sobreposição Superior e um pouco de texto invertido, adicionei um pouco de estilo e etiquetas para tornar o uso da placa um pouco mais fácil.

Recursos na sobreposição superior tornam a placa mais fácil de usar e mais atraente.

A parte inferior da placa recebe um tratamento similar, com um pequeno logotipo de ESD, um código de barras para identificar o modelo/versão/revisão da placa, e algumas áreas para o verificador de qualidade adicionar suas iniciais, além de um par de caixas para escrever a data de fabricação e instalação.

A parte inferior da placa.

Isso rapidamente transforma a placa de simples e sem graça, para ter uma aparência mais afiada, mais completa e mais funcional.

Próximos Passos

Se você está procurando implementar um driver de motor DC IC único, este projeto pode ser um bom ponto de partida para você. Você pode baixar o projeto no GitHub e usá-lo livremente como desejar. O esquemático é baseado em um esquemático e layout comprovados em produção, no entanto, você ainda deve se certificar de confirmar que o design atende aos seus requisitos e que o esquemático/pinos estão corretos.

Na próxima vez, estarei olhando esta placa no PDN Analyser para determinar se os traços estão adequadamente dimensionados para as demandas de corrente do IC H-Bridge e dos dois motores. Se você nunca usou o PDN Analyser antes, este será um projeto introdutório que você pode acompanhar para aprender como configurar a ferramenta para analisar sua placa de circuito.

Você gostaria de saber mais sobre como a Altium pode ajudá-lo com seu próximo design de PCB? Fale com um especialista na Altium ou descubra mais sobre o analisador PDN da Altium.