Así que tienes un esquema. ¿Cómo diseñar su tablero personalizado? En este artículo, repasaremos los desafíos y las soluciones que encontré al diseñar una PCB personalizada para un subsistema de inclinómetro.
Este artículo es parte de una serie que explica el proceso de diseño de un subsistema de inclinómetro alrededor de un IC de inclinómetro muRata SCA103T-D04. Puedes ver el proyecto completo a continuación:
En el artículo anterior, repasé los detalles de cómo creé mi diseño esquemático para el subsistema inclinómetro. En este artículo, analizaremos el siguiente paso del proceso: el diseño del tablero.
No hay dos diseñadores que creen diseños idénticos y pocos diseñadores diseñarán el mismo esquema de la misma manera dos veces.
Existen múltiples consideraciones de competencia en cada diseño de PCB, y algunas veces se permite que los pequeños errores persistan simplemente porque tomaría mucho tiempo arreglar la cascada de cambios que ocurren después de mover una parte, una vía o una traza. Para citar al poeta Paul Valery, "Una obra nunca se completa, excepto por algún accidente, como el cansancio, la satisfacción, la necesidad de entregar o la muerte".
Con eso en mente, echemos un vistazo a cómo pasamos de esquemas como estos:
Para un diseño de PCB como este:
Comencemos con la referencia de voltaje IC, la LT1027LS8. Como hemos comentado en el artículo anterior, este IC requiere que se utilicen tres o, preferiblemente, cuatro ranuras para aislar térmica y mecánicamente su sección de la PCB del resto de la placa.
El aislamiento térmico de la referencia de voltaje es importante para mitigar el efecto Seebeck o el efecto termopar. Cada vez que dos metales diferentes (o semiconductores) tienen su punto de contacto calentado, se establece una diferencia de potencial en la unión. El voltaje puede ser pequeño, pero para dispositivos sensibles (como una referencia de voltaje), puede ser suficiente para perturbar el circuito.
Entonces, ¿cómo abordamos este problema en nuestro diseño?
La solución es generar menos calor alrededor del área sensible de la placa de circuitos y, en este caso, las ranuras cortadas en la PCB limitan la cantidad de energía térmica que puede migrar desde otras partes de la placa. Además, la eliminación de la energía y los planos de tierra directamente debajo del dispositivo ayudarán a evitar que el calor fluya hacia el dispositivo desde las áreas estrechas de la placa que se conectan con el resto de la PCB.
La hoja de datos LT1027LS8 (vinculada arriba) también recomienda opcionalmente un condensador de poliéster para reducir el ruido. Elegí extender el condensador sobre una de las ranuras cortadas en la placa para mantener el área de corte protegida lo más pequeña posible. Eléctricamente este enfoque está bien; mecánicamente, esto podría crear un punto de estrés, pero no realicé un análisis de elementos finitos (FEA) para determinar cuánto.
Otra solución recomendada por la hoja de datos es un anillo protector, usado para mantener la precisión de salida.
La máscara de soldadura, también conocida como resistencia de soldadura, se coloca en una placa de circuito impreso hacia el final del proceso de fabricación de la placa. Ayuda a prevenir la oxidación del cobre y desalienta los puentes de soldadura entre las placas estrechamente espaciadas durante el montaje de la placa. La resistencia de soldadura es un aislante muy bueno; sin embargo, si existe una diferencia de potencial entre los bits de cobre adyacentes, todavía permite que fluya una pequeña cantidad de corriente (en el rango picoamp). En algunos casos, estas corrientes de fuga deben minimizarse si se requiere una precisión extremadamente alta.
La solución generalmente aceptada es incluir un anillo protector. Un anillo de protección se mantiene aproximadamente al mismo potencial eléctrico que las partes de cobre que intenta proteger.
Puedes ver el anillo protector que usé para este diseño en la imagen de abajo.
En nuestro caso, el pin NR (reducción de ruido) de la referencia de voltaje se mantiene a 4.4 V, por lo que se utiliza un divisor resistivo (R11, R12) para generar ese mismo voltaje. El divisor resistivo se adjunta a una traza que rodea el nodo NR.
Dado que el anillo de guarda tiene el mismo potencial que el nodo NR, no habrá flujo de corriente hacia dentro o fuera del pin NR. La eliminación de la resistencia de la soldadura alrededor del anillo de protección evita además la fuga de corriente desde el anillo de protección al cobre circundante. Para evitar la oxidación del cobre, las trazas deben cubrirse con pequeñas cantidades de soldadura.
R10 (no se muestra en la imagen de arriba) es un pequeño potenciómetro de recorte de 10 kΩ que se utiliza para realizar pequeños cambios en el voltaje de salida. C18 y C19 son condensadores de desacoplamiento.
Dirigí las dos señales de salida analógicas del inclinómetro de manera que tuvieran idénticas longitudes de traza, usé esquinas redondeadas y rodeé las trazas con costura. Estas características no son necesarias, pero eran fáciles de incorporar y valdrían la pena si ofrecieran una pequeña mejora en la calidad de la señal.
Las trazas de señal se encuentran con R8 y R9, 5.11 k% 0.1% resistencias que forman parte del primer filtro de paso bajo. El tamaño del paquete de esas resistencias es lo suficientemente grande como para permitir que un rastro de guardia pase entre las almohadillas. La traza de protección, que está conectada a la salida del búfer, reduce la corriente de fuga (ya muy baja) a través de la máscara de soldadura. Esto es una exageración total para esta placa, pero los anillos de protección son libres y estaba intentando hacer todo lo posible para maximizar la precisión de las mediciones del inclinómetro.
Solo se utilizan dos canales del búfer, por lo que los otros dos canales de salida se hacen flotar según la recomendación de la hoja de datos y los canales de entrada están vinculados a 2.5V. Atar las salidas a 2,5 V era una cuestión de comodidad de enrutamiento más que cualquier otra cosa, aunque tener las entradas a un voltaje cercano a la mitad del rango de suministro de 0 a 5 V ciertamente no dañará nada.
Desde allí, la señal del sensor encuentra un segundo filtro de paso bajo compuesto de R3, R4, C6, C7 y C8; Este filtro es recomendado por la hoja de datos para el AD8244.
Después de pasar por el filtro, las señales finalmente llegan al registro de aproximación sucesivo ADC, que digitaliza las señales y pasa los datos resultantes a través del SPI al MSP430. En una PCB más grande, el MSP430 podría colocarse al lado del ADC, seguido del CP2102N. Sin embargo, el MSP430 y el CP2102N pueden generar calor y, en este diseño, se colocan en bordes opuestos de la placa.
Como mencioné en el artículo completo del proyecto, esta placa tiene cuatro capas: dos capas exteriores para los componentes y señales, una capa para el suelo y una capa para la potencia mixta.
La capa superior de esta placa contiene muchas líneas de señal analógicas y digitales, así como un gran vaciado de cobre atado a la red de tierra de múltiples capas con una variedad de vías.
La segunda capa de la PCB tiene la red de entrada de 9-12 VCC (rojo), la red de tierra (verde oscuro), la red de 2.5VCC (verde claro) y la red de 3.3V (naranja). Esta capa demuestra varias decisiones que afectan la calidad del diseño.
Comenzando con la red de entrada de 9-12 VCC (rojo), verá que una exclusión evita que la red llene el área entre los cuatro cortes mecánicos. Esto se hace para satisfacer la recomendación de la hoja de datos para la referencia de voltaje. La eliminación del cobre reduce la cantidad de ruido que se acopla a los circuitos de referencia de voltaje, y también desalienta la transferencia de calor generado por otros componentes.
El polígono de red terrestre (verde oscuro) se agregó a esta capa de la placa para evitar que el ruido de la red de 3.3V se acople a las líneas de señal. Esto asegura que las señales en la capa superior tengan el menor ruido posible.
Finalmente, la red de 3.3V (naranja). Notará un gran relleno sombreado en el lado izquierdo. Esto existe para disminuir el acoplamiento capacitivo entre el vaciado de cobre de 3.3 V y las líneas táctiles capacitivas MSP430. Un pequeño relleno sombreado adicional está en el lado derecho de la placa para las trazas USB.
La tercera capa de la PCB es un gran vertido de tierra. Los rellenos sombreados están nuevamente presentes para las líneas táctiles capacitivas MSP430 y las líneas de datos USB, pero por lo demás esta capa es bastante poco destacable.
Esta capa aloja el MSP430, el CP2102N y los LDO. Estas son las partes del circuito con mayor probabilidad de generar calor. Se colocaron en la parte inferior de la placa para que, de ser necesario, pudieran conectarse a las protuberancias en el soporte de aluminio con pasta térmica para disipar el calor. Diseñé el soporte como un medio para montar de manera segura la tabla inclinómetro.
Para terminar, no consideraría que este diseño de PCB sea óptimo. Sin embargo, es un diseño funcional e incorpora técnicas de diseño interesantes que pueden ser útiles para futuros proyectos.
El siguiente artículo discutirá varios aspectos del código fuente de este proyecto.
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