LTE + GNSS трекер активов Часть 2

Это вторая часть моего проекта LTE GNSS Asset Tracker. В первой части я выбрал подходящие компоненты для проекта и создал схемы. В этой части мы завершим проект разработкой печатной платы и трассировкой.

В последней статье я ставил цель сделать эту плату как можно меньше с намерением создать плату высокой плотности, ожидая, что мне понадобится 6 слоев для трассировки. Однако общий размер платы определяется самыми крупными компонентами, независимо от желаний дизайнера. Держатель литий-ионного аккумулятора 18650 и антенна LTE сами по себе определяют размер платы, при этом антенна LTE имеет специфические требования к расположению и макету, которые в сочетании с аккумулятором 18650 определяют длину, а сама антенна LTE определяет ширину.

Проект все еще относительно компактен, и больший, чем ожидалось, размер позволяет сделать меньше компромиссов в плане размещения компонентов.

Прежде чем мы перейдем к размещению и трассировке, я хотел бы повторить то, что было упомянуто в предыдущей части этой статьи — этот проект является открытым и доступен под свободной лицензией MIT. Вы можете найти файлы проекта на GitHub. Компоненты для этого проекта взяты из моей открытой библиотеки компонентов Altium Designer®, Celestial Altium Library. Вы можете использовать этот проект как отправную точку для вашего собственного проекта/продукта или использовать любую его часть как пожелаете.

Стек слоев

Учитывая, что это плата для радиочастотных приложений, первое, что я настрою на плате, это стек слоев. Для обеспечения достаточно малой ширины дорожек для радиочастотных трасс необходимо использовать как минимум 4 слоя. Я собираюсь использовать по существу тот же стек слоев, что и в моем проекте CC1125 Sub-1GHz Transceiver. Вы можете найти руководство по настройке стека слоев и импеданса в той статье.

Одно из отличий этого проекта от проекта Sub 1Ghz заключается в использовании несимметричного стека слоев. Под верхним слоем у меня находится слой земли, а над нижним слоем - слой сигналов. По умолчанию Altium использует симметричный стек, при изменении одного из слоев автоматически изменяющий парные слои на слои земли или сигналов.

Чтобы отключить эту функцию, вы можете посмотреть в панели свойств в разделе Плата и снять выбор с Симметрия стека.

С настроенным стеком платы, установленными правилами и классами импеданса, я готов приступить к разметке платы.

Разметка платы

Продолжая предыдущую часть этого проекта, я перенес компоненты на печатную плату. В этом проекте я не использую зоны — зоны невероятно полезны для многих проектов, особенно для любых многоканальных, например, мой проект Мониторинга и Управления Током хорошо использует зоны для быстрой трассировки. Однако в этом проекте я, вероятно, просто скрыл бы зоны и сделал бы каждую зону охватывающей всю плату, так как у меня нет правил, связанных с зонами, и я не использую функции, связанные с зонами в Altium.

Чтобы отключить создание зон на печатной плате при обновлении доски, вы можете выключить их, перейдя в Проект -> Настройки проекта и выбрав Игнорировать различия на вкладке Генерация ECO.

Это приводит к тому, что все 141 компонент в дизайне переносятся на плату, мне всегда нравится, как они выглядят при первом переносе.

Как я упоминал в предыдущих статьях, мне действительно нравится начинать разметку, группируя компоненты вместе как блоки, которые я буду размещать индивидуально. Это обычно более тонкие группировки, чем просто по схематическому листу. Я нахожу, что это помогает мне лучше понять расстояние и разметку, делая это таким образом.

Например, схема микроконтроллера будет группировать вместе компоненты развязки и фильтрации питания, а рядом с этой группой микроконтроллер и любые пассивные компоненты, связанные с ним, а затем, наконец, порт отладки по одному проводу и кнопку сброса. Схематический лист микроконтроллера в этом проекте также включает чип SPI flash, который мне не обязательно нужно иметь рядом с микроконтроллером на макете, поэтому я также группирую его отдельно. Если бы я сгруппировал чип flash с микроконтроллером, это могло бы ограничить мои варианты размещения, когда я приступлю к сборке пазла из компонентов.

Это позволяет мне размещать отдельные блоки по отдельности. Хотя на этой плате всего 140 компонентов, применение этой стратегии к платам, на которых сотни компонентов, может сделать проект размещения и трассировки куда менее пугающим и сложным.

Возможность сосредоточиться на многих маленьких секциях по отдельности, а затем постепенно соединять эти секции вместе, делает размещение гораздо более доступным.

Предварительное Размещение

Как только все блоки компонентов размещены по отдельности, это в основном становится головоломкой о том, как уместить их все вместе на плате. При сборке блоков компонентов всегда хорошая идея заранее подумать о том, как передавать сигналы между секциями. Легко увлечься упаковкой вещей плотно и не оставить место для достаточно больших проводников или переходных отверстий (виас).

Разработка схемы подключения с TVS-диодами и предохранителем потребовала множества экспериментов, в отличие от модулей и интегральных схем, это самая гибкая часть с точки зрения размещения. Критически важно, чтобы TVS-диоды находились между точкой подключения нагрузки и источником, чтобы они могли снижать воздействие переходных процессов до того, как чувствительные цепи получат повреждения. Путь заземления/возврата должен быть большим и иметь низкое сопротивление, чтобы большой токовый импульс мог быть эффективно управляем без повреждения самой платы.

Нижняя сторона платы довольно свободна, в основном потому, что позиция держателя батареи довольно ограничена из-за монтажных стоек, которые необходимы для механической стабильности. Стойки серьезно влияют на то, где могут располагаться другие компоненты на плате, что позволяет использовать только небольшой участок платы с одной стороны от держателя. Изначально я планировал разместить один из модулей регулятора под модулем GNSS, но мне действительно не нравилась эта позиция, так как я беспокоился о возможном влиянии помех от переключения на модуль GNSS. К счастью, я также хотел разместить гнездо для SIM-карты на нижней стороне платы, и под модулем GNSS это удалось очень хорошо. Я хотел, чтобы гнездо для SIM-карты находилось на той же стороне, что и батарея и клеммный блок питания, чтобы, если это будет в корпусе, обслуживаемые компоненты находились на одной стороне и были легко доступны технику.

Я также разместил антенну LTE на противоположной стороне платы от антенны GNSS, чтобы попытаться использовать плату для экранирования некоторых прямых излучаемых помех. Это не сделает большой разницы, но я возьму то, что могу получить.

Критическая трассировка

После того, как у меня есть примерный макет, мне нравится прокладывать все, что критично для работы платы — для этой платы это радиочастотные сети, сети с высоким током, такие как входное питание и питание LTE, а также один импульсный источник питания, который не является модулем.

Это гарантирует, что эти сети находятся на своих местах и соответствуют необходимым требованиям, так что сети ввода-вывода, не имеющие специальных требований, могут быть проложены вокруг этих областей.

Регулятор Texas Instruments TPS61089 представляет интерес, его макет немного отличается от многих повышающих преобразователей тем, что выходное напряжение проходит через сам чип. Как всегда, мы стараемся следовать рекомендациям производителя по макету как можно точнее, если только у вас нет очень веской причины поступить иначе. Макет, рекомендованный производителем, обычно дает вам наибольшие шансы на успешную, стабильную реализацию импульсного регулятора с низким уровнем шума.

Антенна LTE также имеет рекомендации по размещению, однако мне пришлось отойти от них из-за расположения модуля и антенны. Я оставил LTE модуль на верхней стороне платы, а антенну - на нижней, так как это обеспечило наименьшее расстояние между контактными площадками антенны и площадками порта антенны LTE. Я все еще следовал рекомендуемому расположению, однако оно выполнено под углом 45 градусов после индуктора и имеет переходное отверстие для изменения стороны платы у конденсатора.

Вот краткое руководство по настройке согласования импеданса для вашей печатной платы в Altium. Я предоставил пошаговые инструкции в предыдущем проекте, но знаю, что некоторые люди предпочитают видео.

Как и во всем, что касается РЧ, вы должны оценить производительность и трассировку первого прототипа с помощью анализатора сетей, чтобы увидеть, какие настройки могут потребоваться. Производители или трассировка по референсному дизайну должны рассматриваться только как исходная точка для вашего первого прототипа, чтобы приблизить вас к оптимальному дизайну. Инструменты моделирования, такие как Microwave Studio, HFSS и другие, также являются отличным способом получить хорошую отправную точку, но реальная медь на подложке всегда будет иметь некоторые отклонения по сравнению с моделированием. Моделирование не идеально, как и производство.

Это мой первый вариант трассировки верхней и нижней части платы.

К сожалению, быстро стало ясно, что у меня никак не получится проложить все соединения через входную часть схемы.

Полигоны здесь слишком плотные, чтобы пропустить через них какие-либо переходные отверстия для других сетей, и добавить их больше некуда.

Вопрос в том, действительно ли мне нужна такая большая площадь меди? Я упоминал калькулятор ширины дорожек печатной платы в моей статье о быстром и грязном расчете плотности тока, так что я прислушаюсь к собственному совету и обращусь к нему, чтобы вычислить, что мне действительно нужно.

Для моих верхнего и нижнего слоев мне нужна ширина дорожки менее 1 мм, что является отличной новостью. Я могу значительно очистить эти полигоны. Стоит отметить, что многие недорогие производители печатных плат используют внутренние слои толщиной 17 мкм, и поэтому внутренним слоям нужно быть в два раза шире, чтобы пропускать такой же ток, как и внешний слой меди

Мечтать о больших медных площадях хорошо, но в данном случае это невозможно реализовать. Меньший проводник все равно будет более чем достаточным.

Для сравнения, вот те же участки платы после завершения трассировки.

Большинство изменений коснулись нижнего слоя, что позволило мне вывести некоторую мощность к микросхеме зарядного устройства аккумулятора и сделать все соединения для различных необходимых модулей регулятора.

Завершение платы

Завершенная компоновка этой платы в итоге оказалась довольно похожей на то, с чего я начинал. Я был довольно удивлен, так как думал, что буду немного перемещать компоненты по мере работы, но из-за ограниченного пространства и требований к размещению определенных частей подальше друг от друга, на самом деле не было много альтернатив для выбора без полной замены позиций каждого компонента.

Модуль LTE будет принимать сигналы гораздо высокой мощности, чем модуль GNSS, поэтому было критически важно, чтобы модуль GNSS и его антенна находились на относительно чистом участке платы. Я бы предпочел, чтобы большинство импульсных регуляторов и связанные с ними электромагнитные помехи находились рядом с модулем LTE и его антенной, а не рядом с GNSS. На конце платы с модулем GNSS находятся только монитор емкости батареи и приемопередатчик CAN, ни один из которых не должен влиять на прием навигационных сигналов.

Я потратил довольно много времени на приведение в порядок дорожек после того, как были выполнены окончательные заземляющие заливки на плате, чтобы обеспечить более непрерывное и целостное заземление на каждом слое. Несмотря на наличие полного слоя заземления, мне всегда нравится просматривать сеть заземления и проверять каждый слой на предмет возможности как-то улучшить дизайн. Часто небольшое смещение дорожки в ту или иную сторону может создать промежутки, позволяющие выполнить заливку заземления, обеспечивая более полное покрытие.

Вот где новый инструмент Gloss Selected оказывается невероятно полезным, в сочетании с интерактивной трассировкой hug и push. Некоторые дорожки, которые я разместил в начале — просто чтобы установить соединение и посмотреть, что произойдет — позже были значительно перемещены во время трассировки, поскольку дорожка и/или переходные отверстия, к которым она была подключена, сдвигались, чтобы освободить место для других соединений. Многие из этих дорожек при использовании gloss занимали меньше места и лучше сгруппировывались вместе, что позволяло более полно заполнить заземляющий слой.

Заключение

Я надеялся достичь плотности хотя бы 80% на плате в этом проекте, как личной цели, однако без изменения формы платы только для уменьшения площади поверхности это было невозможно. Плата все равно занимала бы такое же количество физического пространства. В итоге я достиг плотности 60%, что, по моему мнению, довольно редкая плата. Но благодаря этому мне удалось использовать всего 4 слоя и также достичь более оптимальной компоновки с учетом количества модулей импульсных регуляторов на этой плате.

Несмотря на больший размер, трекер все еще значительно компактнее, чем коммерчески доступные трекеры и устройства дистанционной диагностики, которыми я пользовался ранее. В таком оборудовании, как осветительная башня или генератор, его все еще было бы легко спрятать, и, если поместить в корпус, его можно было бы надежно закрепить, что значительно снизило бы вероятность его удаления или повреждения, особенно в случае кражи.

С отправкой данных акселерометра и CAN на подходящую облачную платформу с использованием инструмента (такого как IBM Watson), можно было бы заранее определить необходимость в обслуживании, до того как критически важный компонент может быть поврежден без возможности ремонта. Вместо того чтобы реагировать на полную неисправность или поломку, система машинного обучения могла бы предупредить техников о необходимости действий. При правильной реализации эта функция могла бы легко сэкономить компании гораздо больше денег, чем могли бы сэкономить более низкие страховые расходы на оборудование.

Сочетание прогнозов предупредительного обслуживания от системы машинного обучения с быстрым восстановлением оборудования/завода в случае кражи могло бы значительно сократить время простоя и повысить показатели доступности оборудования.

Я бы с удовольствием потратил еще неделю или даже больше на доработку трассировки, внося небольшие улучшения здесь и там, но в какой-то момент дизайн нужно считать завершенным, по крайней мере, для первой ревизии. Если вы используете этот дизайн и внесете некоторые изменения после тестирования, не стесняйтесь отправить pull request на GitHub, чтобы и другие могли насладиться вашей реализацией.

Этот проект является открытым исходным кодом, как упоминалось в начале статьи, вы можете получить файлы дизайна на GitHub под лицензией MIT.

Хотели бы вы узнать больше о том, как Altium может помочь вам с вашим следующим дизайном печатной платы? Обратитесь к эксперту в Altium.