Så du har en översikt. Hur utformar du ditt anpassade tavla? I den här artikeln kommer vi att granska de utmaningar och lösningar jag hittade när jag designade en anpassad PCB för ett lutningsmätarsystem.
Den här artikeln är en del av en serie som beskriver processen för att designa ett lutningsundersystem kring ett muRata SCA103T-D04 lutningsmätare IC. Du kan se hela projektet nedan:
I föregående artikel gick jag in i detaljerna om hur jag skapade min schematiska design för delsystemet lutningsmätare. I den här artikeln tar vi en titt på nästa steg i processen, design av instrumentpanelen.
Den sista tabellen som vi har avslöjat i den här artikeln.
Inget två designers skapar samma mönster, och få designers designar samma system två gånger samma.
Det finns många konkurrenskraftiga tankar i varje PCB-design, och ibland får mindre fel kvarstå eftersom det tar lång tid att korrigera den förändringskaskad som uppstår efter att ha flyttat en del, spår eller spår. För att citera poeten Paul Valery, “Ett verk kan aldrig slutföras förutom vissa olyckor som utmattning, tillfredsställelse, behovet av att ge upp eller döden.”
Med det i åtanke, låt oss ta en titt på hur vi går igenom system som:
För en PCB-layout så här:
Isolera referensspänningen IC
Låt oss börja med spänningsreferensen IC, LT1027LS8. Som vi diskuterade i föregående artikel kräver denna IC användning av tre eller företrädesvis fyra slitsar för att termiskt och mekaniskt isolera en del av kretskortet från resten av kortet.
Värmeisolering från spänningsreferensen är viktig för att minska Seebeck-effekten eller termoelementeffekten. Varje gång kontaktpunkten för två olika metaller (eller halvledare) värms upp inträffar en potentialskillnad vid övergångspunkten. Spänningen kan vara liten, men för känsliga enheter (som spänningsreferensen) kan det vara tillräckligt för att bryta kretsen.
Så hur löser vi detta problem i vår design?
Lösningen är att generera mindre värme runt det känsliga området på kretskortet, och i detta fall begränsar slitsarna i kretskortet mängden termisk energi som kan passera genom andra delar av kortet. Att ta bort kraft- och jordplan direkt under enheten hjälper också till att förhindra värmeflöde till enheten genom trånga utrymmen på kortet som ansluter till resten av kretskortet.
Datablad LT1027LS8 (länkat ovan) föreslår också valfritt en polyesterkondensator för att minska buller. Jag valde att förlänga kondensatorn över en av slitsarna som skärs i träet för att hålla det skyddade skärområdet så litet som möjligt. Elektriskt är detta tillvägagångssätt bra; Mekaniskt kan detta skapa en stresspunkt, men jag gjorde inte en Finite Element Analysis (FEA) för att bestämma hur mycket.
En annan lösning som föreslås av databladet är en skyddsring som används för att bibehålla utmatningsnoggrannheten.
Vad är skyddsringen?
Lödmasken, även känd som lödmotståndet, placeras på ett kretskort mot slutet av korttillverkningsprocessen. Det hjälper till att förhindra oxidation av koppar och förhindrar lödbroar mellan tätt placerade plattor under plattmontering. Svetsmotstånd är en mycket bra isolator; Men om det finns en potentiell skillnad mellan intilliggande kopparbitar, tillåter det fortfarande en liten mängd ström att strömma (inom picoampområdet). I vissa fall bör dessa läckströmmar minimeras om extremt hög känslighet krävs.
Den allmänt accepterade lösningen är att lägga till en skyddande ring. En avskärmningsring hålls på ungefär samma elektriska potential som koppardelarna den försöker skydda.
Du kan se den skyddande ringen jag använder för denna design i bilden nedan.
Skärmningsdel på kretskortet
I vårt fall hålls spänningsreferensens stift NR (brusreducering) vid 4,4 V, så en resistiv delare (R11, R12) används för att generera samma spänning. Den resistenta avdelaren är fäst vid ett spår som omger NR-noden.
Eftersom skärmaringen har samma potential som NR-noden kommer det inte att finnas något strömflöde till NR-stiftet. Att eliminera lödmotståndet runt skärmaringen förhindrar ytterligare strömläckage från skärmaringen till det omgivande koppar. Spår ska förseglas med en liten mängd löd för att förhindra oxidation av koppar.
R10 (visas inte på bilden ovan) är en liten trimkanna på 10 kΩ som används för att göra små förändringar i utspänningen. C18 och C19 frikopplingskondensatorer.
Underhålla signalvägen
Jag dirigerade de två analoga utsignalerna från lutningsmätaren så att de har samma spårlängder, använder rundade hörn och stänger spåren med stygn. Dessa funktioner krävs inte, men de var lätta att inkludera och det skulle vara värt det om de erbjöd en liten förbättring av signalkvaliteten.
En titt på märket.
Signalspår hittas med motstånd R8 och R9, 5,11% k 0,1%, en del av det första lågpassfiltret. Förpackningsstorleken på dessa motstånd är tillräckligt stor för att ett spår av skydd ska kunna passera mellan dynorna. Skyddsärret som är anslutet till buffertens utgång minskar läckströmmen (som redan är mycket låg) genom lödmasken. Detta är en fullständig överdrift för den här plattan, men skyddsringarna är lösa och jag försökte mitt bästa för att maximera lutningsmätarnas noggrannhet.
Endast två kanaler i bufferten används, så de andra två utgångskanalerna flyter enligt databladets rekommendation och ingångskanalerna är anslutna till 2,5 V. Att ansluta utgångarna till 2,5 V var en fråga om enkel routing mer än någonting annat, men att ha ingångarna vid en spänning nära mitten av 0-5V-försörjningsområdet kommer verkligen inte att skada någonting.
Härifrån möter sensorsignalen ett andra lågpassfilter bestående av R3, R4, C6, C7 och C8; Detta filter rekommenderas av databladet för AD8244.
Det andra lågpassfiltret (R3, R4, C6, C7 och C8) visas ovanför bilden.
Efter att ha passerat genom filtret anländer slutligen signalerna till ADC, som digitaliserar signalerna och överför de erhållna data till MSP430 över SPI. På ett större PCB kan MSP430 placeras bredvid ADC och sedan in i CP2102N. MSP430 och CP2102N kan dock generera värme och placeras på motsatta sidor av kortet i denna design.
Hänsyn till kortlager
Som jag nämnde i hela projektartikeln har denna styrelse fyra lager: två yttre lager för komponenter och signaler, ett lager för en mark och ett lager för blandad kraft.
Övre lager
Det översta lagret på detta kort innehåller många analoga och digitala signallinjer, liksom ett stort kopparskal anslutet till flera lager jordnät på olika sätt.
Det översta lagret av PCB.
Andra lagret
Det andra lagret på kretskortet har ett 9-12 VDC-ingångsnätverk (rött), marknätverk (mörkgrönt), 2,5VDC-nätverk (ljusgrönt) och 3,3V-nätverk (orange). Detta lager visar de olika beslut som påverkar designens kvalitet.
Du kommer att upptäcka att från och med 9-12 VDC-ingångsnätverket (röd) förhindrar en uteslutning nätverket från att fylla utrymmet mellan de fyra mekaniska avbrotten. Detta görs för att uppfylla databladets rekommendation för spänningsreferens. Eliminering av koppar minskar mängden brus som är ansluten till spänningsreferenskretsar och förhindrar också överföring av värme som produceras av andra komponenter.
Den markbundna nätverkspolygonen (mörkgrön) läggs till i detta lager av kortet för att förhindra att brus från 3.3V-nätverket ansluts till signalledningarna. Detta säkerställer att signalerna i det övre lagret har så lite brus som möjligt.
Slutligen 3.3V nätverk (orange). Du kommer att se en stor skuggfyllning till vänster. Detta är tillgängligt för att minska den kapacitiva kopplingen mellan 3,3 V kopparavlopp och MSP430 kapacitiva beröringslinjer. Det finns en liten extra skuggad stoppning på höger sida av brädet för USB-spår.
Tredje skiktet
Det tredje skiktet av PCB är ett stort jordutsläpp. Skuggade fyllmedel är återigen tillgängliga för MSP430 kapacitiva peklinjer och USB-datalinjer, men annars är detta lager ganska obetydligt.
Fjärde lagret
Detta lager innehåller MSP430, CP2102N och LDO. Det här är de delar av kretsen som mest sannolikt genererar värme. Den placerades under plattan så att den kunde fästas vid utsprången på aluminiumfästet med termisk pasta för att sprida värmen vid behov. Jag designade fästet som ett verktyg för att säkert montera lutningsbordet.
Avslutningsvis anser jag inte att denna PCB-layout är optimal. Det är dock en funktionell design och innehåller intressanta designtekniker som kan vara användbara för framtida projekt.
Följande artikel kommer att diskutera olika aspekter av källkoden för detta projekt.
Lämna några kommentarer eller frågor nedan!
