Rastreador de Ativos LTE + GNSS Parte 2

Esta é a Parte Dois do meu projeto Rastreador de Ativos LTE GNSS. Na primeira parte, identifiquei os componentes certos para o projeto e capturei os esquemáticos. Nesta parte, vamos concluir o projeto com o layout e o roteamento da PCB.

No último artigo, eu havia estabelecido o objetivo de tornar esta placa o menor possível, com a intenção de fazer uma placa de alta densidade, esperando que eu precisasse de 6 camadas para o roteamento. No entanto, o tamanho total de uma placa é determinado pelos componentes maiores, independentemente dos desejos do designer. O suporte da bateria de íon de lítio 18650 e a antena LTE por si só definem a pegada desta placa, com a antena LTE tendo requisitos específicos de espaçamento e layout que se combinam com a bateria 18650 para determinar o comprimento, e a antena LTE sozinha determinando a largura.

O projeto ainda é relativamente compacto, e o tamanho maior do que o antecipado permite menos compromissos de engenharia no que diz respeito à colocação de componentes.

Antes de mergulharmos no layout e roteamento, gostaria de reiterar o que foi mencionado na parte anterior deste artigo—este projeto é de código aberto e está disponível sob a licença permissiva do MIT. Você pode encontrar os arquivos do projeto no GitHub. Os componentes para este projeto são da minha biblioteca de componentes de código aberto Altium Designer®, a Celestial Altium Library. Você pode usar este projeto como ponto de partida para o seu próprio projeto/produto, ou usar qualquer parte dele como desejar.

Empilhamento de Camadas

Dado que este é um projeto de RF, a primeira coisa que vou configurar na placa é o empilhamento de camadas. É necessário ter pelo menos 4 camadas para permitir uma trilha pequena o suficiente para os traçados de RF. Vou usar essencialmente o mesmo empilhamento de camadas que usei no meu projeto CC1125 Sub-1GHz Transceiver. Você pode encontrar um guia de configuração para o empilhamento de camadas e impedância nesse artigo.

Uma coisa que estou fazendo de diferente neste projeto em relação ao projeto Sub 1Ghz é não usar um empilhamento simétrico. Sob a camada superior, tenho uma camada de plano, mas acima da camada inferior, tenho uma camada de sinal. Por padrão, o Altium usa um empilhamento simétrico, o que mudará pares de camadas correspondentes para serem ambos planos ou sinais conforme você altera uma das camadas.

Para desativar essa função, você pode procurar no painel de propriedades sob a seção Board e desmarcar Stack Symmetry.

Com o empilhamento da placa definido, as regras de impedância e classes definidas, estou pronto para começar o layout.

Layout da Placa

Continuando a partir da parte anterior deste projeto, transferi os componentes para a PCB. Para este projeto, não estou usando salas — as salas são incrivelmente úteis para muitos projetos, especialmente qualquer coisa multi-canal, por exemplo, meu Projeto de Monitoramento e Controle de Corrente faz bom uso de salas para roteamento rápido. Neste projeto, no entanto, provavelmente acabaria ocultando as salas e fazendo cada sala cobrir toda a placa, pois não tenho regras relacionadas a salas e não estou usando nenhum recurso relacionado a salas no Altium.

Para desativar a geração de salas no PCB ao atualizar a placa, você pode desativá-las indo em Projeto -> Opções do Projeto e selecionando Ignorar Diferenças na aba de Geração de ECO.

Isso resulta em todos os 141 componentes do projeto sendo transferidos para a placa, eu sempre adoro como eles parecem quando são transferidos pela primeira vez.

Como mencionei em artigos anteriores, eu realmente gosto de começar um layout agrupando os componentes juntos como blocos que vou organizar individualmente. Esses são agrupamentos tipicamente mais finos do que apenas por folha de esquemático. Acho que isso me ajuda a ter uma melhor compreensão do espaçamento e layout fazendo dessa maneira.

Por exemplo, o esquemático do microcontrolador agrupará os componentes de desacoplamento e filtro de energia juntos, e o microcontrolador e quaisquer passivos associados a ele ao lado desse grupo, e então finalmente a porta de Depuração de Fio Único e o botão de reset. A folha de esquemático para o microcontrolador neste projeto também inclui um chip de flash SPI, que eu não necessariamente preciso ter bem ao lado do microcontrolador no layout, então eu também agrupo isso separadamente. Se eu tivesse agrupado o CI de flash com o microcontrolador, isso poderia limitar minhas opções de layout quando eu viesse a montar o quebra-cabeça de componentes.

Isso me dá pequenos blocos para organizar individualmente. Embora esta placa tenha apenas 140 componentes, se você aplicar essa estratégia a placas que têm muitas centenas de componentes, pode fazer com que o projeto de layout e roteamento pareça muito menos assustador e complicado.

Ser capaz de focar em muitas pequenas seções isoladamente e depois juntar essas seções pouco a pouco torna o layout muito mais acessível.

Layout Preliminar

Uma vez que todos os blocos de componentes estão individualmente organizados, é principalmente um quebra-cabeça sobre como encaixá-los todos juntos na placa. Ao montar os blocos de componentes, é sempre uma boa ideia ter algum planejamento prévio com relação a como passar os sinais entre as seções. É fácil se empolgar ao compactar as coisas e não deixar espaço suficiente para condutores de tamanho adequado ou vias.

O layout de entrada com os diodos TVS e o fusível exigiu muita experimentação, ao contrário dos módulos e ICs, esta é a seção mais flexível no que diz respeito ao posicionamento. É crítico que os diodos TVS estejam entre a conexão de carga e a fonte, para que possam mitigar quaisquer transientes antes que os circuitos sensíveis sejam danificados. O caminho de retorno/terra precisa ser grande e de baixa impedância para permitir que um pico de corrente grande seja efetivamente gerenciado sem danificar a própria placa.

A parte inferior da placa é bastante esparsa, principalmente porque a posição do suporte da bateria é bastante restrita devido aos postes de montagem que possui para estabilidade mecânica. Os postes afetam severamente onde outros componentes podem ser colocados na placa, o que só permite uma pequena seção da placa ser utilizável em um lado do suporte. Originalmente, eu planejava colocar um dos módulos reguladores sob o GNSS, mas realmente detestei essa posição, pois estava preocupado com o ruído de comutação acoplando-se ao módulo GNSS. Felizmente, eu queria colocar o soquete do cartão SIM na parte inferior da placa também, e sob o módulo GNSS funcionou muito bem. Eu queria o soquete do cartão SIM no mesmo lado que a bateria e o bloco de terminais de entrada de energia para que, se isso estivesse em uma caixa, permitiria que os componentes passíveis de serviço ficassem do mesmo lado, e fossem facilmente acessíveis por um técnico.

Também coloquei a antena LTE no lado oposto da placa em relação à antena GNSS para tentar usar a placa para blindar parte do ruído irradiado diretamente. Não vai fazer muita diferença, mas vou aproveitar o que puder.

Roteamento Crítico

Uma vez que tenho um layout preliminar, gosto de rotear tudo o que é crítico para o desempenho da placa—para esta placa, são as redes RF, as redes de maior corrente, como a alimentação de entrada e a alimentação LTE, e a única fonte de alimentação de modo comutado que não é um módulo.

Isso garante que essas redes estejam no lugar e sejam o que precisam ser, então as redes IO que não têm requisitos especiais podem encontrar seu caminho ao redor dessas áreas.

O regulador Texas Instruments TPS61089 é interessante, seu layout é um pouco diferente de muitos conversores boost no sentido de que a saída de tensão passa pelo próprio chip. Como sempre, tentamos seguir as recomendações de layout do fabricante o mais próximo possível, a menos que você tenha um motivo muito bom para não fazer isso. O layout do fabricante é tipicamente o que vai te dar a maior chance de uma implementação bem-sucedida, estável e com baixo ruído de um regulador de modo comutado.

A antena LTE também tem uma recomendação de layout, no entanto, tive que me desviar disso devido ao posicionamento do módulo e da antena. Deixei o módulo LTE no lado superior da placa, com a antena no lado inferior da placa, pois isso deixava a menor distância entre os pads da antena e os pads do porto da antena LTE. Ainda segui o layout, no entanto, está em um ângulo de 45 graus após o indutor, e tem uma via para mudar de lado da placa no capacitor.

Aqui está um guia rápido para configurar a correspondência de impedância para sua placa de circuito no Altium. Eu forneci instruções passo a passo em um projeto anterior, mas sei que algumas pessoas preferem vídeo.

Como em tudo que envolve RF, você deve avaliar o desempenho e o roteamento do primeiro protótipo com um analisador de rede para ver que ajustes podem ser necessários. Os fabricantes, ou o roteamento de um design de referência, devem ser considerados apenas um ponto de partida inicial para o seu primeiro protótipo, para aproximá-lo de um design ótimo. Ferramentas de simulação como Microwave Studio, HFSS e outras também são ótimas para obter um bom ponto de partida — mas o cobre real sobre o substrato sempre terá algumas variações em comparação com uma simulação. As simulações não são perfeitas, e a fabricação também não é.

Esta é a minha primeira tentativa de roteamento do topo e do fundo da placa.

Infelizmente, rapidamente ficou claro que não haveria como fazer todas as conexões através da seção de entrada do esquemático.

Os polígonos aqui são densos demais para permitir quaisquer vias para outras redes passarem, e não há espaço para adicionar mais.

A questão é, eu realmente preciso de tanta área de cobre? Eu mencionei um calculador de largura de trilha de PCB no meu artigo rápido e sujo sobre densidade de corrente, então vou seguir meu próprio conselho e usá-lo para calcular o que realmente preciso.

Para as minhas camadas superior e inferior, preciso de menos de 1mm de largura de trilha, o que é uma notícia fantástica. Posso limpar esses polígonos bastante. Vale ressaltar que muitos fabricantes de PCB de baixo custo usarão camadas internas de 17uM, e, portanto, as camadas internas precisam ser duas vezes mais largas para transportar a mesma corrente que uma camada externa de cobre.

É bom sonhar com grandes áreas de cobre, mas neste caso não é possível implementar. Um condutor menor ainda vai ser mais do que suficiente.

Para comparar, aqui estão as mesmas áreas da placa uma vez que o roteamento foi concluído.

A maioria das mudanças está na camada inferior, o que me permitiu levar alguma energia para o circuito integrado do carregador de bateria e fazer todas as conexões para os vários módulos reguladores que eram necessários.

Completando a Placa

O layout completo para esta placa acabou sendo bastante semelhante ao que eu comecei inicialmente. Fiquei bastante surpreso, pois pensei que estaria movendo as coisas um pouco à medida que prosseguisse, mas com espaço limitado e requisitos para manter certas partes afastadas uma das outras, realmente não havia muitas alternativas a considerar sem uma mudança completa da posição de cada componente.

O módulo LTE receberá sinais de muito maior intensidade do que o módulo GNSS conseguirá captar, portanto, foi crítico garantir que o módulo GNSS e sua antena ficassem em uma seção relativamente limpa da placa. Eu preferiria muito mais ter a maioria dos reguladores de modo comutado e suas interferências eletromagnéticas associadas perto do módulo LTE e sua antena do que perto do GNSS. A extremidade da placa com o módulo GNSS só tem realmente o monitor de capacidade da bateria e o transceptor CAN, nenhum dos quais deve impactar a recepção de navegação.

Passei bastante tempo organizando as trilhas uma vez que as últimas camadas de aterramento foram aplicadas na placa, a fim de garantir um aterramento mais contínuo e ininterrupto em cada camada. Embora haja uma camada completa de plano de aterramento, eu sempre gosto de passar por ela e destacar a rede de aterramento e olhar através de cada camada para ver onde posso potencialmente limpar um pouco o design. Muitas vezes, um pequeno ajuste de uma trilha em uma direção ou outra pode abrir lacunas para permitir que um preenchimento de aterramento passe, proporcionando um preenchimento mais completo.

É aqui que a nova ferramenta Gloss Selected se torna incrivelmente útil, combinada com o roteamento interativo hug and push. Algumas das trilhas que coloquei no início—apenas para fazer uma conexão e ver o que acontecia—posteriormente foram movidas significativamente durante o roteamento, à medida que a trilha e/ou vias conectadas a ela eram deslocadas para fazer espaço para outras conexões. Muitas dessas trilhas, ao usar o gloss, ocuparam menos espaço e se agruparam melhor, permitindo um preenchimento de terra mais completo.

Conclusão

Eu esperava alcançar pelo menos 80% de densidade na placa neste projeto, apenas como uma meta pessoal, no entanto, sem alterar a forma da placa apenas para reduzir a área de superfície, isso não iria acontecer. A placa ainda ocuparia a mesma quantidade de espaço físico. Acabei alcançando 60% de densidade, que na minha opinião é uma placa bastante esparsa. Mas, por causa disso, consegui usar apenas 4 camadas e também alcançar um layout mais otimizado com o número de módulos reguladores de comutação que esta placa tem.

Apesar do tamanho maior, o rastreador ainda é significativamente mais compacto do que os rastreadores e dispositivos de diagnóstico remoto disponíveis comercialmente que eu usei no passado. Em um equipamento, como uma torre de iluminação ou gerador, ainda seria fácil de ocultar, e se colocado em uma caixa, poderia ser robustamente montado, o que reduziria grandemente as chances de remoção ou dano, especialmente em caso de roubo.

Com o acelerômetro e os dados CAN sendo enviados para a plataforma de nuvem certa aproveitando uma ferramenta (como o IBM Watson), seria possível identificar uma necessidade de manutenção precocemente, antes que um componente crítico pudesse ser danificado além do reparo. Em vez de reagir a uma falha completa ou quebra, o sistema de aprendizado de máquina poderia alertar os técnicos sobre a necessidade de ação. Se implementado corretamente, esse recurso poderia facilmente economizar para uma empresa muito mais dinheiro do que os custos de seguro mais baixos para o equipamento poderiam economizar.

Combinar previsões de manutenção preventiva do aprendizado de máquina com a recuperação rápida do equipamento/planta em caso de roubo poderia reduzir significativamente o tempo de inatividade e melhorar as taxas de disponibilidade do equipamento.

Eu poderia passar felizmente mais uma semana ou mais ajustando o roteamento, fazendo pequenas melhorias aqui e ali, mas em algum momento, um design precisa ser considerado concluído, pelo menos para uma primeira revisão. Se você usar este design e fizer algumas alterações após testá-lo, sinta-se à vontade para enviar um pull request no GitHub, para que outros também possam aproveitar sua implementação.

Este projeto é de código aberto, como mencionado no início do artigo, você pode pegar os arquivos de design no GitHub sob a licença MIT.

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