Dự án Pi.MX8 - Cấu trúc Sơ đồ và Vị trí Đặt Linh kiện

Chào mừng bạn đến với phần thứ hai của dự án mô-đun tính toán mã nguồn mở Pi.MX8! Trong loạt bài viết này, chúng tôi sẽ đi sâu vào thiết kế và kiểm thử một hệ thống trên mô-đun dựa trên bộ xử lý i.MX8M plus từ NXP.

Trong bản cập nhật trước, chúng tôi đã thảo luận về động cơ đằng sau dự án này cũng như những tính năng mà mô-đun của chúng tôi nên có và những linh kiện mà chúng tôi muốn sử dụng để triển khai chúng.

Lần này, chúng tôi muốn tập trung vào cấu trúc của thiết kế sơ đồ và cách chúng tôi có thể bắt đầu với bố trí PCB.

Cấu trúc sơ đồ

Hãy bắt đầu bằng cách xem xét cách sơ đồ được tổ chức. Thông thường có hai phương pháp được sử dụng để xử lý việc thu thập sơ đồ; thiết kế phẳng và thiết kế phân cấp.

Một sơ đồ phẳng có thể được hình dung như một sơ đồ trang đơn lớn được chia thành nhiều tờ. Các kết nối giữa các tờ có thể được thiết lập sử dụng các kết nối ngoài tờ chẳng hạn.

Trong một sơ đồ mạch phân cấp, thiết kế có thể được chia thành các khối chức năng được biểu diễn dưới dạng biểu tượng tờ, có thể được kết nối với nhau hoặc thậm chí được lồng ghép. Phương pháp này thường được sử dụng trong các thiết kế lớn vì nó cho phép bạn phân chia một sơ đồ lớn thành các khối có thể được thiết kế và xem một cách độc lập với nhau. Các kết nối giữa các khối chức năng này được thiết lập sử dụng cổng, sẽ được biểu diễn trên biểu tượng tờ. Ngoại trừ các đối tượng nguồn điện (VCC, GND, v.v.) chỉ có cổng được sử dụng để liên kết các tờ sơ đồ lại với nhau.

Sơ đồ Pi.MX8 sử dụng cấu trúc phân cấp này:

Thiết kế được chia thành nhiều khối chức năng—tất cả được biểu diễn trong một tờ cấp cao nhất. Tại đây, tất cả các kết nối giữa các tờ riêng biệt được thiết lập. Thiết kế này chỉ sử dụng một cấp độ phân cấp.

SoC iMX8 được chia thành nhiều phần được đặt trên nhiều tờ. Trên tờ cấp cao nhất, biểu tượng lớn ở trung tâm trang biểu diễn SoC. Hai biểu tượng tờ lớn ở bên trái và bên phải trang biểu diễn hai kết nối giữa bảng của mô-đun Pi.MX8. Tất cả các khối chức năng khác được biểu diễn bằng biểu tượng tờ của riêng chúng.

Mỗi trang tuân theo cùng một triết lý thiết kế. Các giao diện rời khỏi trang sơ đồ được mã hóa màu để đại diện cho mức điện áp của giao diện. Các mạch nằm trong mạng lưới phân phối điện được vẽ với độ dày đường nét lớn.

Việc tích hợp ghi chú cho các cài đặt cấu hình cụ thể, quy ước đặt tên hoặc nhận xét chung có thể được sử dụng để tăng tốc quá trình gỡ lỗi và khởi động, đồng thời đóng vai trò như một lời nhắc nhở cho quá trình định tuyến PCB.

Trang sơ đồ bao gồm ghi chú và mã hóa màu

Thêm ghi chú vào sơ đồ Altium Designer từ một bảng tính Excel hoặc từ ảnh chụp màn hình được lấy từ bảng dữ liệu dễ dàng như Ctrl+C, Ctrl+V:

Sơ đồ mạch hiện tại vẫn đang chịu sự thay đổi và do đó vẫn đang trong quá trình phát triển. Chúng tôi sẽ đi sâu hơn vào sơ đồ trong một cập nhật sau.

Trong khi sơ đồ sẽ trải qua một số thay đổi nhỏ trong vài tuần tới, chúng ta đã có thể tiến hành và lên kế hoạch cho bố cục PCB.

Lập kế hoạch bố trí PCB

Trong giai đoạn lập kế hoạch bố trí, chúng tôi muốn xác định lớp chồng và lên kế hoạch chiến lược về cách định tuyến bo mạch. Bước đầu tiên để xác định lớp chồng và phương pháp định tuyến là chúng ta có thể đặt các thành phần chính lên bo mạch. Điều này sẽ giúp chúng tôi ước lượng nhu cầu về không gian và mật độ định tuyến, đây đều là những yếu tố quan trọng cần xem xét để xác định lớp chồng và chiến lược định tuyến. Các thành phần chính trong bối cảnh này là các bộ phận có ảnh hưởng lớn đến việc đặt thành phần, điều này đúng với các ví dụ sau:

• Các bộ phận có vị trí được xác định trước trên PCB ví dụ như kết nối, đèn LED chỉ báo, chân đế SMD;

• Các bộ phận có nhiều mạch cần được định tuyến ví dụ như SoCs, thiết bị bộ nhớ, MCUs;

• Các bộ phận chiếm nhiều không gian trên bo mạch ví dụ như cuộn cảm lớn, công tắc, tản nhiệt.

Chuẩn bị không gian bo mạch

Trước khi đặt bất kỳ thành phần nào lên mô-đun Pi.MX8, điều đầu tiên chúng tôi muốn làm là xác định một số điều kiện ranh giới. Trong bối cảnh của mô-đun, đây là các đặc điểm và kích thước cơ khí được quy định bởi hình dạng mô-đun mà chúng tôi muốn sử dụng.

Tùy thuộc vào danh sách các công cụ MCAD được sử dụng mà chúng tôi tích hợp, thông tin này có thể được chuyển vào trình biên tập bố cục PCB sử dụng MCAD CoDesigner. Trong trường hợp của chúng tôi, chúng tôi sẽ nhập một tệp DXF được tạo ra bằng Spaceclaim Engineer. Đường viền DXF này được nhập và đặt vào một lớp cơ khí mới gọi là “Tham Khảo”:

Kích thước cơ khí và vị trí kết nối của PCB

Với đường viền được đặt vào, chúng tôi có thể thêm các lỗ gắn ở các vị trí chính xác sử dụng các tùy chọn chụp trong trình biên tập PCB. Các kết nối giữa các bảng mạch có thể được đặt ở lớp dưới cùng của mô-đun theo cùng một cách:

Vị trí của các lỗ gắn và kết nối trên PCB

Trên lớp trên cùng, một kết nối U.FL cho ăng-ten ngoài được đặt dưới lỗ gắn trên cùng bên trái. Dưới kết nối, một ăng-ten chip cho hoạt động WiFi và Bluetooth được đặt. Vị trí của ăng-ten trên bo này không nên thay đổi vì nhiều bo mạch cơ sở đã tồn tại sử dụng một khu vực không cho đồng dưới vị trí ăng-ten.

Anten là một thành phần thư viện bao gồm không chỉ chính anten chip mà còn có một số hình học bằng đồng và các điểm tham chiếu nơi cần đặt các thành phần khớp nối. Thông tin này có thể được tìm thấy trong bảng dữ liệu anten. Bằng cách nhúng thông tin này vào thành phần thư viện, chúng tôi đảm bảo rằng hình học được định sẵn không tình cờ bị thay đổi.

Xác định vị trí anten

Tại giai đoạn này của việc xác định không gian bảng mạch có sẵn cho việc định tuyến và đặt thành phần, cũng có thể hợp lý khi thêm vào một vòng bảo vệ dọc theo mép của PCB. Một vòng bảo vệ là một đường dẫn bằng đồng chạy dọc theo mép của PCB trên tất cả các lớp và được kết nối với mặt đất ở các khoảng cách đều đặn bằng VIAs. Một vòng bảo vệ đặt dọc theo mép của bảng sẽ ngăn chặn sự phát xạ bức xạ từ các lớp bên trong ra môi trường. Vòng bảo vệ cũng được sử dụng trong các cấu hình khác trên PCB, ví dụ như cho điện tử tương tự chính xác nơi dòng rò rỉ chảy qua ô nhiễm bề mặt cần được giữ ra khỏi các khu vực có nút trở kháng cao nhạy cảm. Nếu các tính năng như vậy được yêu cầu, chúng cũng nên được xem xét trong giai đoạn lập kế hoạch bố trí.

Việc đặt một vòng bảo vệ xung quanh mép bảng mạch ở giai đoạn thiết kế sớm này là quan trọng bởi vì mặc dù việc thêm tính năng này sau này có vẻ không khó, nhưng một vòng bảo vệ có thể chiếm một lượng không gian đáng kể. Thông thường, hình dạng đồng cần phải có khoảng cách tối thiểu 0.2mm – 0.3mm so với mép bảng mạch đã gia công. Thêm vào đó là chiều rộng dấu vết của vòng bảo vệ là 0.6mm chẳng hạn và thêm 0.1mm nữa cho khoảng cách từ vòng bảo vệ đến các dấu vết đồng còn lại và bảng mạch đột nhiên trở nên nhỏ hơn 2mm ở mỗi hướng. Đặc biệt nếu các kết nối được đặt gần mép bảng mạch hoặc nếu mật độ linh kiện trên bảng mạch rất cao, điều này có thể tạo ra sự khác biệt lớn trong quá trình định tuyến.

PCB với vòng bảo vệ

Một hạn chế khác mà chúng ta nên xem xét cho việc đặt linh kiện là thực tế là một số linh kiện có thể dễ bị ảnh hưởng bởi áp lực cơ học. Tùy thuộc vào tình huống lắp đặt của PCB bên trong một vỏ bảo vệ, một số khu vực của bảng mạch có thể trải qua áp lực cơ học đáng kể. Các ví dụ điển hình cho những tình huống như vậy là các lỗ gắn hoặc tản nhiệt áp đặt một áp lực gắn kết bên ngoài lên PCB.

Đó cũng là điều chúng ta nên nhớ cho mô-đun Pi.MX8. Mô-đun sẽ được lắp đặt bên trong một vỏ nhôm sử dụng bốn lỗ gắn kết. Trong cấu hình này, bảng mạch và vỏ được kết nối chặt chẽ với nhau. Do nhôm có hệ số giãn nở nhiệt khác với FR4 nên bảng mạch bắt đầu bị cong vênh ngay khi hệ thống nóng lên. Mức độ của hiệu ứng này phụ thuộc vào đặc tính vật liệu cụ thể liên quan và sự chênh lệch nhiệt độ mà bộ phận lắp ráp gặp phải.

Chúng ta có thể mô phỏng sự giãn nở nhiệt của mô-đun được lắp đặt bên trong vỏ nhôm. Bằng cách tính toán gradient của vector dịch chuyển, chúng ta có thể thấy rằng bảng mạch sẽ trải qua sự di chuyển, đặc biệt là gần các lỗ gắn kết:

Áp lực cơ học do giãn nở nhiệt

Nếu PCB được sử dụng trong môi trường có độ rung động cao thì cùng một nguyên tắc áp dụng đối với áp lực cao gần các lỗ gắn kết.

Nhưng, tại sao điều này lại quan trọng đối với module Pi.MX8? Có những linh kiện trên module nhạy cảm với áp lực cơ học bên ngoài. Những linh kiện này là tụ điện gốm lớn. Những tụ điện này có thể dễ dàng bị nứt nếu chúng phải chịu áp lực cơ học. Thường thì tụ điện sẽ hỏng với một mạch ngắn gây ra sự cố hỏng hóc nghiêm trọng cho toàn bộ hệ thống. Vì lý do này, tụ điện gốm lớn không nên được đặt gần các lỗ gắn kết hoặc cạnh bảng V-cut. Phần sau cũng trải qua áp lực cơ học cao trong quá trình tách bảng. Quy mô tụ điện càng lớn, nó càng nhạy cảm với tải trọng cơ học trên PCB.

Đối với chúng tôi, điều này có nghĩa là giữ các tụ điện gốm lớn hơn 0603 không sử dụng chấm dứt mềm cách ít nhất 3.5mm từ các lỗ gắn kết. Con số này thay đổi tùy thuộc vào tình huống gắn kết của bảng và được rút ra từ mô phỏng cho bảng Pi.MX8.

Giữ điều này trong tâm trí, việc đặt trước cho các linh kiện chính trên bảng Pi.MX8 như sau:

Việc đặt trước các linh kiện chính

Ý tưởng đằng sau việc đặt linh kiện này và ảnh hưởng của nó đến lựa chọn lớp chồng sẽ là một phần của bản cập nhật tiếp theo. Hãy theo dõi để cùng cập nhật tiến trình của module Pi.MX8!