Iniciando com o MCU nRF52 em uma PCB

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A maioria dos fabricantes de semicondutores desenvolveu e lançou sua própria linha de microcontroladores, e a Nordic Semiconductor não é exceção. Um dos seus produtos mais conhecidos é o nRF52, um SoC com capacidade RF e um transceptor integrado. Este componente é pequeno, oferece uma alta contagem de I/O e tem um número de peça que vem em um pacote BGA de passo fino.

Neste artigo, vou mostrar um exemplo de layout de PCB que usa a versão do pacote BGA de passo fino do nRF52. Ao final do artigo, você terá a oportunidade de baixar os arquivos fonte deste projeto. Sem mais delongas, vamos começar com um exemplo de layout de PCB que inclui o nRF52.

Para os espectadores que desejam assistir ao processo de design completo para este componente, criamos a seguinte playlist que guia os usuários através do processo de uso do nRF52 em um layout de PCB. Especificamente, cobrimos como usar a versão de alta densidade (0,35 mm de distância entre as esferas) deste componente em um design que requer algumas técnicas de design HDI. Também mostraremos toda a jornada de engenharia que nos levou à versão final do nosso módulo nRF52.

Design Front-end

O nRF52 está disponível em alguns pacotes diferentes com fatores de forma pequenos. Este chip tornou-se popular como um microcontrolador capaz de Bluetooth com uma contagem moderada de pinos e interfaces digitais padrão, incluindo a capacidade de usar USB no dispositivo. O componente é direcionado para pequenos dispositivos embutidos com conectividade Bluetooth 5.

Neste projeto, o componente que usaremos é o nRF52840-CKAA-R7, um WLCSP de 93 pinos com uma pegada BGA. Este processador é conhecido por operar com baixo consumo de energia quando não está transmitindo, portanto, é possível usá-lo com uma pequena bateria. Adicionaremos alguma regulagem de bateria e circuitaria de proteção de polaridade para este sistema, para que ele possa funcionar com sucesso com energia de bateria.

Footprint do nRF52840 WLCSP

O footprint para o nRF52840-CKAA-R7 é mostrado abaixo. A barra de medida entre as esferas mostra que o pitch é de 0,35 mm. Este é um pitch muito fino e exigirá algumas técnicas de design usadas em designs HDI.

Outros Componentes Importantes

Entraremos no pinout e fanout para este componente em uma das seções abaixo. Por agora, haverá vários outros componentes que aparecem no design:

• TPS70933DBVR - Regulador linear de baixa corrente
• FR015L3EZ - Protetor de polaridade reversa de baixo lado
• BD33HC0MEFJ-ME2 - Regulador de 3V3/1A para circuitos lógicos
• PCF8523TK - Relógio em tempo real (RTC) com interface I2C
• CAT24C512WI-GT3 - EEPROM de 512 KB

O dispositivo inicialmente precisará se conectar a uma bateria LiPo por meio de um conector padrão de 2 pinos, e precisaremos incluir pelo menos um cabeçalho para acessar os I/Os e programar a placa. A quantidade de I/Os é maior do que normalmente caberia em um único cabeçalho, então é uma questão de julgamento se devemos incluir um 2º cabeçalho apenas para acessar os I/Os. Por enquanto, prosseguiremos com o conector da bateria e um único cabeçalho de I/O, e sempre podemos adicionar outro conector mais tarde.

Introdução: Esquemáticos

Os esquemáticos para este dispositivo não são muito complexos e todos os circuitos caberão em uma única página. Mostrarei diferentes regiões dos esquemáticos individualmente para que todo o design fique claro e fácil de ler.

Primeiro, vamos olhar para a seção de energia. Neste dispositivo, a energia de 3V3 é fornecida por um LDO de baixo ruído e baixa corrente com corrente nominal de saída de 150 mA. O LDO recebe a energia da bateria (VBAT) como entrada e converte isso na saída desejada de 3V3.

Com base nas conexões de rede para VBAT e VDD1, vemos que existem duas maneiras de fornecer energia à placa:

• Aplicar 3V3 diretamente em VDD1, como por meio de um conector de pinos
• Aplicar a tensão diretamente na rede VBAT, também através de um dos conectores

Na primeira opção, você só estaria alimentando o MCU e o RTC; não haveria energia para os periféricos. Na segunda, você estaria fornecendo energia para todo o sistema, e agora VDD1 seria uma saída em vez de uma entrada.

Você notará que um 2º regulador está fornecendo energia de 3V3 para a rede VDD2. Este regulador inclui um pino de habilitação, então o dispositivo pode ser inicializado primeiro usando VDD1, e então os periféricos (neste caso, a EEPROM) podem ser alimentados usando VDD2. Isso dá ao dispositivo a capacidade de desligar seus periféricos quando não está em uso, alternando o pino VDD2_ENABLE. Se tivéssemos outros periféricos que gostaríamos de incluir neste design que não são essenciais para ligar o dispositivo, gostaríamos de conectá-los a VDD2 em vez de VDD1.

A seguir, vamos olhar para as conexões do nRF52840. Estas foram emprestadas da placa de desenvolvimento da Nordic e o conjunto original de conexões em seus componentes pode ser acessado em seus arquivos de design do Altium.

Aqui eu separei várias interfaces, e o circuito de suporte contém principalmente cristais de referência e alguns capacitores. Os capacitores variam de um tamanho grande para desacoplamento em massa, até um tamanho pequeno (0201) para bypass no trilho VDD1. Ainda há muitos pinos sobrando neste componente, e estes poderiam ser usados para outros periféricos. Eventualmente, eu vou separar alguns dos I/Os adicionais e a interface SPI para um conector de pinos, como mostrado mais tarde na série de vídeos.

Se você der uma olhada no pino E1, verá a conexão da antena. Inicialmente, partindo dos esquemáticos originais e do layout no design de referência, esta rede de casamento de impedância usava valores diferentes para os capacitores de saída. A rede de casamento de impedância mostrada abaixo foi determinada por engenharia reversa da impedância da antena com um calculador online e modificando a rede de casamento para que ela seja simétrica. Trocar o capacitor de saída de 0.8 pF no design de referência pelo capacitor de saída de 1.2 pF mostrado abaixo produz essencialmente o mesmo desempenho.

Isso conclui essencialmente a parte de captura do esquemático, e os circuitos restantes são simples de implementar. Podemos agora avançar para o layout da PCB.

Layout da PCB

Uma vez no layout da PCB, temos algumas tarefas importantes a completar para usar o nRF52840 em WLCSP:

• Determinar um empilhamento e o fanout de BGA
• Posicionar a antena como um elemento impresso
• Posicionar e rotear os outros ICs de modo que eles não interfiram com a seção RF

Empilhamento e Fanout

O principal impulsionador da estratégia de empilhamento e fanout é o espaçamento entre as esferas no pacote nRF52. Os leitores podem notar acima que o espaçamento entre as esferas é de 0,35 mm. O tamanho do pad na minha footprint é de 0,212 mm, o que é um tamanho apropriado dado os padrões IPC para footprints de BGA. A distância diagonal entre os pads é de 0,495 mm. Essas medidas são mostradas abaixo.

Se tentássemos usar o fanout em forma de osso de cachorro com vias passantes para rotear para os pinos internos, ficaríamos apenas com cerca de 1-2 mils de espaço entre as vias e os pads vizinhos. Isso é muito pequeno para a maioria das casas de fabricação gravar adequadamente. Também exigiria um tamanho de broca muito pequeno, de cerca de 4 mils com um pad de diâmetro de 8 a 9 mils. Esses valores são simplesmente muito pequenos para trabalhar dentro da fabricação padrão.

Portanto, usei um via-in-pad fanout com vias cegas e enterradas para alcançar as camadas internas. Como o tamanho do pad é de cerca de 8,3 mil, podemos usar vias cegas/enterradas de 4 mil com pads de 8 mil. Para manter uma proporção de aspecto de 1:2, precisaríamos de espessuras de camada de 4 mil para nossas camadas externas com vias cegas/enterradas. Isso resultaria em um total de 6 camadas, conforme mostrado na pilha abaixo.

Colocação de Componentes e Antena

Após finalizar a pilha e o fanout, minha colocação inicial para esta placa é mostrada abaixo. Incluí alguns polígonos para o roteamento de energia antes de completar as conexões restantes. A colocação inicial do cabeçalho de 6 pinos foi usada para programação e leitura de tensões. O próximo ponto a considerar é a colocação da antena, e finalmente, podemos concluir com as saídas de I/O para nossos conectores.

Neste design, usaremos uma antena impressa para enviar e receber sinais sem fio. O melhor local para colocar uma antena impressa para o nRF52 é ao longo da borda da placa. Isso manterá a antena fora do caminho da seção digital. A antena se conecta ao pino E1 no nRF52840.

Se você olhar para o design de referência do nRF52, verá que eles fornecem um exemplo de antena impressa que pode ser incorporado em outros designs. Esta antena é uma antena de quarto de onda, e isso pode ser verificado calculando o comprimento da antena e comparando-o com o comprimento de onda do sinal de 2,45 GHz em uma configuração de microstrip sem terra. A rede de casamento de impedância mostrada nos esquemáticos acima deve fornecer um casamento suficiente, dadas as diferenças no empilhamento para esta placa.

Cabeçalho de Programação SWD e Cabeçalho de I/O

Se você decidir produzir esta placa, precisará programá-la. A documentação do nRF52840 fornece um guia para programar o dispositivo através do protocolo SWDIO usando apenas 4 pinos:

• VDD (alimentação do sistema)
• SWDIO (J2)
• SWDCLK (H2)
• GND

Portanto, eu substituí o cabeçalho de pinos 1x6 por um cabeçalho SWD, pois este é um cabo padrão usado para programar muitas placas de microcontrolador (eu também tenho alguns cabos SWD no meu laboratório). Note que o pino nReset (K6) é opcional para programação, mas eu o incluirei no pinout do cabeçalho SWD junto com uma conexão VBAT. O pinout finalizado no meu cabeçalho SWD é mostrado abaixo.

O programador que prefiro usar para este tipo de dispositivo é o programador PRESTO, disponível em ASIX.net. Este programador suporta uma longa lista de dispositivos, incluindo o nRF52840 e alguns outros produtos da Nordic. Você terá que criar pinagens personalizadas para o cabo no PRESTO, mas isso é simples o suficiente para fazer com cabos avulsos.

A seguir, decidi trocar o cabeçalho inicialmente escolhido de 1x6 por um de 2x7, para que eu pudesse expandir as I/Os adicionais. O cabeçalho foi colocado no canto superior esquerdo da placa. Adicionei resistores de série de 22 Ohms nessas I/Os para desacelerar os sinais que entram na placa ou saem dela, caso a EMI se torne problemática nessas interconexões. Se acabar que eles não são necessários, posso sempre trocá-los por resistores de 0 Ohm.

Layout Finalizado

O layout finalizado da PCB é mostrado na imagem abaixo. Adicionei alguns logotipos, defini o número da peça na parte inferior direita da placa e alinhei os resistores nas linhas de E/S ao longo da metade inferior do cabeçalho de pinos. Também fiz uma limpeza final na serigrafia para que todos os designadores estejam claros e não haja sobreposição. Neste ponto, o design passou por uma DRC final e está pronto para produção.

Arquivos Fonte e Revisões Futuras

Embora o roteamento possa ser melhorado em alguns lugares apenas para limpar o acesso de E/S, a placa será funcional e estou feliz com o resultado. Algumas características adicionais que poderiam ser incluídas são um conector USB e um CI de gerenciamento de carga USB para que o dispositivo possa ser carregado a partir do barramento padrão de 5V de um plugue USB.

Outro componente que poderia ser adicionado ao design é um CI companheiro da Nordic que fornece acesso WiFi aos MCUs da série nRF52. No ano passado, em agosto de 2022, a Nordic anunciou o lançamento da sua mais nova iteração da série nRF: o nRF7002. Este SoC oferece suporte dual-band WiFi 6 com consumo de energia ultra-baixo como um complemento aos produtos nRF52 ou nRF53. Vou dar uma olhada neste CI companheiro em um projeto e vídeo futuros.

Por enquanto, clique neste link para baixar um arquivo ZIP com os arquivos fonte do projeto. Você também pode usar o link de download no embed acima para acessar os arquivos fonte.

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