Начало работы с микроконтроллером nRF52 на печатной плате

Нажмите здесь, чтобы перейти к встроенному просмотру и просмотреть этот проект

Большинство производителей полупроводников разработали и выпустили свою собственную линейку микроконтроллеров, и Nordic Semiconductor не исключение. Одним из их наиболее известных продуктов является nRF52, SoC с поддержкой RF и интегрированным трансивером. Этот компонент мал, предлагает высокое количество ввода/вывода и имеет номер детали, который поставляется в корпусе BGA с мелким шагом.

В этой статье я покажу пример компоновки печатной платы, использующей версию nRF52 в корпусе BGA с мелким шагом. В конце статьи у вас будет возможность скачать исходные файлы для этого проекта. Без дальнейших задержек, давайте начнем с примера компоновки печатной платы, включающей nRF52.

Для зрителей, которые хотят посмотреть весь процесс проектирования этого компонента, мы создали следующий плейлист, который руководит пользователями через процесс использования nRF52 в компоновке печатной платы. В частности, мы рассматриваем, как использовать версию этого компонента с высокой плотностью (шаг шариков 0.35 мм) в дизайне, требующем некоторых техник HDI-проектирования. Мы также покажем весь инженерный путь, который привел нас к финальной версии нашего модуля nRF52.

Front-end Design

nRF52 представлен в нескольких вариантах корпусов с малыми размерами. Этот чип стал популярным как микроконтроллер с возможностью Bluetooth, умеренным количеством выводов и стандартными цифровыми интерфейсами, включая возможность использования USB в устройстве. Компонент предназначен для малых встроенных устройств с Bluetooth 5 подключением.

В этом проекте компонент, который мы будем использовать, это nRF52840-CKAA-R7, 93-выводной WLCSP с BGA расположением контактов. Этот процессор известен тем, что работает с низким энергопотреблением, когда не передает данные, поэтому его можно использовать с маленькой батареей. Мы добавим некоторую схему регулирования батареи и защиты от неправильной полярности для этой системы, чтобы она могла успешно работать от батареи.

nRF52840 WLCSP Расположение контактов

Расположение контактов для nRF52840-CKAA-R7 показано ниже. Линейка между шарами показывает, что шаг составляет 0.35 мм. Это очень мелкий шаг, и для его реализации потребуются некоторые техники проектирования, используемые в HDI-проектах.

Другие Важные Компоненты

Мы рассмотрим распиновку и разводку для этого компонента в одном из следующих разделов. На данный момент в дизайне появится несколько других компонентов:

• TPS70933DBVR - Линейный регулятор малого тока
• FR015L3EZ - Защита от обратной полярности для низкой стороны
• BD33HC0MEFJ-ME2 - Регулятор 3V3/1A для логических схем
• PCF8523TK - Часы реального времени (RTC) с интерфейсом I2C
• CAT24C512WI-GT3 - EEPROM объемом 512 КБ

Изначально устройство должно будет подключаться к аккумулятору LiPo через стандартный 2-контактный разъем, и нам потребуется предусмотреть хотя бы один разъем для доступа к вводам/выводам и программирования платы. Количество вводов/выводов больше, чем мы обычно размещаем на одном разъеме, поэтому это вопрос суждения, стоит ли добавлять второй разъем исключительно для доступа к вводам/выводам. Пока мы продолжим с разъемом для аккумулятора и одним разъемом для вводов/выводов, и всегда сможем добавить еще один разъем позже.

Начало работы: Схемы

Схемы этого устройства не слишком сложные, и все цепи поместятся на одной странице. Я покажу различные области схем по отдельности, чтобы весь дизайн был понятен и легко читаем.

Давайте сначала рассмотрим блок питания. В этом устройстве 3V3 питание обеспечивается низкошумящим, малотоковым LDO с номинальным выходным током 150 мА. LDO принимает мощность батареи (VBAT) в качестве входа и преобразует ее в желаемый выход 3V3.

Исходя из соединений сети для VBAT и VDD1, мы видим, что существует два способа подачи питания на плату:

• Подать 3V3 напрямую на VDD1, например через штыревой разъем
• Подать напряжение напрямую на сеть VBAT, также через один из разъемов

В первом случае вы бы подавали питание только на MCU и RTC; периферийные устройства не получили бы питание. Во втором случае вы бы обеспечивали питание всей системе, и теперь VDD1 был бы выходом, а не входом.

Вы заметите, что второй регулятор обеспечивает питание 3V3 для сети VDD2. Этот регулятор включает в себя вывод включения, так что устройство может сначала включаться с использованием VDD1, а затем периферийные устройства (в данном случае, EEPROM) могут быть включены с использованием VDD2. Это дает устройству возможность отключать свои периферийные устройства, когда оно не используется, переключая вывод VDD2_ENABLE. Если бы у нас были какие-либо другие периферийные устройства, которые мы хотели бы включить в этот дизайн и которые не являются центральными для включения устройства, мы бы хотели подключить их к VDD2, а не к VDD1.

Далее, давайте посмотрим на подключения nRF52840. Они были взяты с разработческой платы Nordic, и оригинальный набор подключений их компонентов можно найти в их файлах дизайна Altium.

Здесь я выделил несколько интерфейсов, и вспомогательная схемотехника в основном содержит опорные кристаллы и некоторые конденсаторы. Конденсаторы варьируются от больших корпусов для общего развязывания до маленьких корпусов (0201) для байпаса на линии VDD1. В этом компоненте все еще остается множество свободных выводов, которые могли бы быть использованы для других периферийных устройств. В конечном итоге я выведу некоторые дополнительные входы/выходы и интерфейс SPI на штыревой разъем, как показано позже в серии видео.

Если вы посмотрите на вывод E1, вы увидите подключение антенны. Изначально, начиная с оригинальных схем и разводки в эталонном дизайне, сеть согласования импеданса использовала разные значения выходных конденсаторов. Сеть согласования импеданса, показанная ниже, была определена путем обратного проектирования импеданса антенны с помощью онлайн-калькулятора и модификации сети согласования так, чтобы она была симметричной. Замена выходного конденсатора 0,8 пФ в эталонном дизайне на показанный ниже выходной конденсатор 1,2 пФ обеспечивает по существу те же характеристики.

Это по существу завершает часть захвата схемы, и оставшиеся схемы просты в реализации. Теперь мы можем перейти к разводке печатной платы.

Разводка печатной платы

После перехода к разводке печатной платы у нас есть несколько важных задач для использования nRF52840 в WLCSP:

• Определить стек и распределение BGA
• Разместить антенну как печатный элемент
• Разместить и проложить другие ИС так, чтобы они не мешали РЧ-секции

Стек и Распределение

Основным фактором, определяющим стратегию стека и разводки, является шаг шариков на корпусе nRF52. Читатели могут заметить выше, что шаг шариков составляет 0,35 мм. Размер площадки в моем посадочном месте составляет 0,212 мм, что является подходящим размером согласно стандартам IPC для посадочных мест BGA. Диагональное расстояние между площадками составляет 0,495 мм. Эти измерения показаны ниже.

Если бы мы попытались использовать разводку в виде собачьей кости с сквозными переходами для маршрутизации к внутренним контактам, у нас осталось бы всего около 1-2 милов пространства между переходами и соседними площадками. Это слишком мало для большинства производственных предприятий для корректного травления. Также потребовался бы очень маленький размер сверла около 4 милов с диаметром площадки 8 до 9 милов. Эти значения слишком малы, чтобы работать в рамках стандартного производства.

Следовательно, я использовал разводку через отверстие в площадке с скрытыми и закрытыми переходными отверстиями для доступа к внутренним слоям. Поскольку размер площадки составляет около 8.3 мил, мы можем использовать скрытые/закрытые переходные отверстия размером 4 мил с площадками 8 мил. Чтобы сохранить соотношение сторон 1:2, нам потребуются толщины внешних слоев 4 мил с использованием скрытых/закрытых переходных отверстий. Это даст в сумме 6 слоев, как показано в структуре ниже.

Размещение компонентов и антенны

После завершения структуры и разводки, мое первоначальное размещение для этой платы показано ниже. Я включил несколько полигонов для маршрутизации питания перед завершением оставшихся соединений. Первоначальное размещение 6-контактного разъема использовалось для программирования и считывания напряжений. Следующим пунктом для рассмотрения является размещение антенны, и, наконец, мы можем завершить работу с выводами I/O на наши разъемы.

В этом дизайне мы будем использовать печатную антенну для отправки и приема беспроводных сигналов. Лучшее место для размещения печатной антенны для nRF52 - вдоль края платы. Это позволит держать антенну подальше от цифровой секции. Антенна подключается к контакту E1 на nRF52840.

Если вы посмотрите на референсный дизайн nRF52, вы увидите, что они предоставляют пример печатной антенны, которую можно интегрировать в другие проекты. Эта антенна является четвертьволновой, и это можно подтвердить, рассчитав длину антенны и сравнив её с длиной волны сигнала 2,45 ГГц в конфигурации микрополосковой линии передачи без заземления. Сеть согласования импеданса, показанная на схемах выше, должна обеспечить достаточное согласование с учетом различий в стеке для этой платы.

Заголовок программирования SWD и заголовок ввода/вывода

Если вы решите произвести эту плату, вам нужно будет её запрограммировать. Документация nRF52840 предоставляет руководство по программированию устройства через протокол SWDIO, используя всего 4 контакта:

• VDD (питание системы)
• SWDIO (J2)
• SWDCLK (H2)
• GND

Поэтому я заменил шестиконтактный разъем на разъем SWD, поскольку это стандартный кабель, используемый для программирования многих плат микроконтроллеров (у меня также есть несколько кабелей SWD в моей лаборатории). Обратите внимание, что контакт nReset (K6) необязателен для программирования, но я включу его в распиновку разъема SWD вместе с подключением VBAT. Окончательная распиновка на моем разъеме SWD показана ниже.

Программатор, который я предпочитаю использовать для этого типа устройств, это программатор PRESTO, который доступен на ASIX.net. Этот программатор поддерживает длинный список устройств, включая nRF52840 и некоторые другие продукты Nordic. Вам придется создать пользовательские распиновки для кабеля на PRESTO, но это достаточно просто сделать с помощью летающих проводов.

Затем я решил заменить первоначально выбранный заголовок 1x6 на заголовок 2x7, чтобы я мог вывести дополнительные входы/выходы. Заголовок был размещен в верхнем левом углу платы. Я добавил последовательные резисторы на 22 Ом на эти входы/выходы, чтобы замедлить сигналы, поступающие на плату или покидающие плату, на случай, если ЭМИ станет проблематичным в этих соединениях. Если окажется, что они не нужны, я всегда могу заменить их на резисторы 0 Ом.

Окончательная компоновка

Финальный вариант разводки печатной платы представлен на изображении ниже. Я добавил несколько логотипов, разместил номер детали в нижней правой части платы и выровнял резисторы на линиях ввода/вывода вдоль нижней части разъема. Также я провел окончательную очистку шелкографии, чтобы все обозначения были четкими и не перекрывались. На этом этапе дизайн прошел окончательную проверку на соответствие правилам проектирования (DRC) и готов к производству.

Исходные файлы и будущие ревизии

Хотя маршрутизацию можно было бы улучшить в некоторых местах для более аккуратного доступа к вводу/выводу, плата будет функциональной, и я доволен тем, как она получилась. Среди дополнительных функций, которые можно было бы добавить, - разъем USB и микросхема управления зарядкой USB, так что устройство можно было бы заряжать от стандартного 5В шины на USB-разъеме.

Еще одним компонентом, который можно добавить в дизайн, является сопутствующий ИС от Nordic, обеспечивающий доступ к WiFi для микроконтроллеров серии nRF52. В августе 2022 года компания Nordic объявила о выпуске своей новейшей версии серии nRF: nRF7002. Этот SoC предлагает поддержку двухдиапазонного WiFi 6 с ультранизким энергопотреблением в качестве дополнения к продуктам nRF52 или nRF53. Я рассмотрю этот сопутствующий ИС в предстоящем проекте и видео.

Пока что, нажмите на эту ссылку, чтобы скачать ZIP-архив с исходными файлами проекта. Вы также можете использовать ссылку для скачивания во встроенном выше, чтобы получить доступ к исходным файлам.

Компоненты высокой плотности с RF-секциями легко разместить и проложить с помощью полного набора CAD-утилит в Altium Designer®. Когда вы закончили свой дизайн и хотите отправить файлы вашему производителю, платформа Altium 365™ упрощает сотрудничество и обмен проектами.

Мы только начали раскрывать возможности Altium Designer на Altium 365. Начните вашу бесплатную пробную версию Altium Designer + Altium 365 сегодня.