Проект Pi.MX8 – Структура схемы и размещение компонентов

Добро пожаловать ко второй части проекта открытого вычислительного модуля Pi.MX8! В этой серии статей мы погружаемся в дизайн и тестирование системы на модуле на основе процессора i.MX8M plus от NXP.

В предыдущем обновлении мы обсудили мотивацию этого проекта, а также какие функции должен иметь наш модуль и какие компоненты мы хотели бы использовать для их реализации.

На этот раз мы хотели бы сосредоточиться на структуре схематического дизайна и как мы можем начать работу с разметкой печатной платы.

Структура схемы

Давайте начнем с того, как организована схема. Обычно используются два подхода к созданию схематического захвата; плоские и иерархические дизайны.

Плоскую схему лучше всего представить как большую одностраничную схему, которая просто разделена на несколько листов. Соединения между листами могут быть установлены с использованием, например, соединителей вне листа.

В иерархической схеме проект может быть разделен на функциональные блоки, которые представлены в виде символов листов, которые, в свою очередь, могут быть соединены между собой или даже вложены друг в друга. Этот подход часто используется в крупных проектах, поскольку он позволяет более эффективно разбить большую схему на блоки, которые могут быть спроектированы и просмотрены независимо друг от друга. Соединения между этими функциональными блоками устанавливаются с использованием портов, которые будут представлены на символе листа. За исключением объектов питания (VCC, GND и т.д.), только порты используются для связывания схемных листов вместе.

Схема Pi.MX8 использует эту иерархическую топологию:

Проект разделен на несколько функциональных блоков — все они представлены на одном верхнеуровневом листе. Здесь устанавливаются все соединения между отдельными листами. Этот проект использует только один иерархический уровень.

SoC iMX8 разделен на несколько частей, которые размещены на нескольких листах. На верхнеуровневом листе большой символ в центре страницы представляет SoC. Два больших символа листов слева и справа от страницы представляют два разъема соединения платы с платой модуля Pi.MX8. Все остальные функциональные блоки представлены собственным символом листа.

Каждая страница следует одной и той же философии дизайна. Интерфейсы, выходящие со схематической страницы, окрашены в цвет, представляющий уровень напряжения интерфейса. Цепи, которые являются частью сети распределения питания, нарисованы толстой линией.

Интеграция заметок для конкретных настроек конфигурации, соглашений о наименовании или общих замечаний может ускорить процесс отладки и настройки, а также служить напоминанием для процесса трассировки печатной платы.

Схематическая страница, включая заметки и цветовую кодировку

Добавление заметок в схему Altium Designer из таблицы Excel или из снимков экрана, взятых из технического описания, так же просто, как Ctrl+C, Ctrl+V:

Сама схема в настоящее время все еще подлежит изменениям и, следовательно, находится в стадии разработки. Мы более подробно рассмотрим схему в следующем обновлении.

Хотя схема претерпит некоторые незначительные изменения в ближайшие недели, мы уже можем приступить к планированию компоновки печатной платы.

Планирование размещения печатной платы

На этапе планирования размещения мы хотели бы определить стек слоев и разработать стратегию трассировки платы. В качестве первого шага для определения стека слоев и подхода к трассировке мы можем разместить ключевые компоненты на плате. Это поможет нам оценить требования к пространству и плотность трассировки, которые являются важными факторами для определения стека слоев и стратегии трассировки. Ключевыми компонентами в данном контексте являются детали, оказывающие большое влияние на размещение компонентов, что актуально для следующих примеров:

• Детали с заранее определенным положением на печатной плате, например, разъемы, индикаторные светодиоды, SMD-опоры;

• Детали с большим количеством сетей, которые необходимо трассировать, например, SoC, устройства памяти, микроконтроллеры;

• Детали, занимающие много места на плате, например, большие индукторы, переключатели, радиаторы.

Подготовка пространства платы

Перед размещением каких-либо компонентов на модуле Pi.MX8 первое, что мы хотели бы сделать, - это определить несколько граничных условий. В контексте модуля это механические особенности и размеры, диктуемые форм-фактором модуля, которые мы хотели бы использовать.

В зависимости от списка используемых нами инструментов MCAD, с которыми мы интегрируемся, эта информация может быть передана в редактор компоновки печатной платы с использованием MCAD CoDesigner. В нашем случае мы импортируем файл DXF, созданный с использованием Spaceclaim Engineer. Этот контур DXF импортируется и размещается на новом механическом слое под названием «Reference»:

Механические размеры и расположение разъемов печатной платы

С контуром на месте, мы можем добавить монтажные отверстия в правильных местах, используя опции привязки в редакторе печатных плат. Соединители платы к плате могут быть размещены на нижнем слое модуля аналогичным образом:

Расположение монтажных отверстий и соединителей на печатной плате

На верхнем слое под верхним левым монтажным отверстием размещается разъем U.FL для внешней антенны. Ниже разъема размещается чип-антенна для работы в сетях WiFi и Bluetooth. Положение этой встроенной антенны не должно изменяться, поскольку многие уже существующие базовые платы используют область без меди под местом расположения антенны.

Антенна является компонентом библиотеки, который включает не только саму чип-антенну, но и некоторую медную геометрию и опорные точки, где необходимо разместить компоненты согласования. Эту информацию можно найти в техническом описании антенны. Внедряя эту информацию в компонент библиотеки, мы убеждаемся, что предопределенная геометрия случайно не изменится.

Определение местоположения антенны

На этом этапе определения доступного пространства на плате для трассировки и размещения компонентов также может быть разумным добавить защитное кольцо вдоль края печатной платы. Защитное кольцо - это медный проводник, который проходит вдоль края печатной платы на всех слоях и подключается к земле через регулярные интервалы с помощью переходных отверстий (VIA). Защитное кольцо, расположенное вдоль края платы, предотвратит излучение эмиссий из внутренних слоев в окружающую среду. Защитные кольца также используются в других конфигурациях на печатной плате, например, для точной аналоговой электроники, где необходимо предотвратить проникновение токов утечки, протекающих через поверхностные загрязнения, в области с высокочувствительными узлами высокого импеданса. Если такие функции требуются, их также следует учитывать на этапе планирования компоновки.

Размещение защитного кольца вдоль края платы на этом раннем этапе проектирования важно, поскольку, хотя добавление этой функции позже может показаться несложным, защитное кольцо может занять значительное количество места. Обычно медная геометрия должна иметь минимальное расстояние от 0,2 мм до 0,3 мм до обработанного края платы. Добавьте к этому ширину дорожки защитного кольца, например, 0,6 мм, и еще 0,1 мм для расстояния от защитного кольца до оставшихся медных дорожек, и плата внезапно становится на 2 мм меньше в каждом направлении. Особенно если разъемы расположены близко к краю платы или если плотность компонентов на плате очень высока, это может существенно повлиять на трассировку.

Печатная плата с защитным кольцом

Еще одним ограничением, которое мы должны учитывать при размещении компонентов, является тот факт, что некоторые компоненты могут быть чувствительны к механическому напряжению. В зависимости от ситуации монтажа печатной платы внутри корпуса, определенные участки платы могут испытывать значительное механическое напряжение. Типичные примеры таких сценариев - монтажные отверстия или радиаторы, которые оказывают внешнее монтажное давление на печатную плату.

Это также то, что мы должны иметь в виду для модуля Pi.MX8. Модуль будет установлен внутри алюминиевого корпуса с использованием четырех монтажных отверстий. В этой конфигурации печатная плата и корпус жестко соединены друг с другом. Поскольку алюминий имеет коэффициент теплового расширения, отличный от FR4, плата начинает искривляться, как только система нагревается. Величина этого эффекта зависит от точных материальных характеристик, задействованных в процессе, и разницы температур, наблюдаемой в сборке.

Мы можем симулировать тепловое расширение модуля, установленного внутри алюминиевого корпуса. Рассчитывая градиент вектора перемещения, мы видим, что плата будет испытывать движение, особенно вблизи монтажных отверстий:

Механическое напряжение, вызванное тепловым расширением

Если печатная плата используется в условиях высоких вибраций, то же самое принцип применим в отношении высоких напряжений вблизи монтажных отверстий.

Но почему это важно для модуля Pi.MX8? На модуле есть компоненты, чувствительные к внешнему механическому воздействию. Это крупные керамические конденсаторы. Эти конденсаторы могут легко треснуть, если на них воздействовать механически. Часто конденсаторы выходят из строя с коротким замыканием, что приводит к катастрофическому отказу всей системы. По этой причине крупные керамические конденсаторы не следует размещать рядом с отверстиями для монтажа или краями платы с V-образными насечками. Последние также испытывают высокие механические нагрузки при разделении панелей. Чем больше конденсатор, тем он более чувствителен к механическим нагрузкам на печатной плате.

Для нас это означает, что керамические конденсаторы размером больше 0603, которые не используют мягкое закрепление, должны находиться как минимум в 3,5 мм от монтажных отверстий. Эта цифра варьируется в зависимости от ситуации монтажа платы и была получена из симуляции для платы Pi.MX8.

С учетом этого предварительное размещение ключевых компонентов на плате Pi.MX8 выглядит следующим образом:

Предварительное размещение ключевых компонентов

Идея, стоящая за размещением этих компонентов и ее влияние на выбор структуры слоев, будет частью следующего обновления. Следите за новостями, чтобы быть в курсе прогресса модуля Pi.MX8!