Projeto de placa base de baixo custo para SoM - Embarcados
Guia para projeto de placa base de baixo custo para System on Modules
Em artigos anteriores já foram apontadas diversas razões para utilizar computadores em módulo. Caso queira saber mais, consulte os artigos: Fast Time to Market com Computadores em Módulo e Editorial: Uso de kits comerciais para desenvolvimento de produtos. Então, vamos assumir que você tomou a decisão a favor de um CoM e gostaria de saber agora como começar o projeto de sua placa base. Eu gostaria de passar para você algumas informações valiosas e percepções que podem ajudá-lo no projeto de placa base de baixo custo para os computadores em módulo da Toradex.
O desenvolvimento de uma placa base pode ser dividido em três tarefas principais: projeto do sistema, captura do esquemático e layout/roteamento.
Antes de iniciar o projeto do sistema de uma nova placa base, você deve decidir qual família de computadores em módulo vai utilizar em seu projeto. Você pretende escolher a versátil família de módulos Colibri ou você está indo para um dos módulos de alto desempenho da família Apalis com as novas interfaces de alta velocidade? Você também pode já ter reduzido sua escolha a alguns módulos da família de sua escolha. O nosso seletor de produtos pode ajudar a encontrar o SoM ideal.
A maior diferença entre um computador em módulo baseado em ARM e um baseado em x86 é que módulos ARM normalmente possuem uma diversidade muito superior de interfaces prontas para serem utilizadas. Um único pino de um módulo pode ser multiplexado para diferentes funções como UART, SPI, I2C, SDIO, ou como simples GPIO. Pode ser ainda que diversos pinos do SoC estejam conectados a um único pino no conector do SOM. Estas características podem tornar o projeto de uma placa base para módulo ARM mais complexo que uma para módulo x86 onde os pinos possuem funções dedicadas. O engenheiro deverá escolher as funções apropriadas para os pinos. Esta tarefa é chamada de pin muxing (ou multiplexação dos pinos, em tradução livre) e um exemplo é apresentado na figura 1:
Figura 1 – Exemplo de pin muxing
Na Toradex, quando projetamos um novo computador em módulo, sempre tentamos torná-lo o mais compatível possível com outros módulos da mesma família. Isso significa que nós tentamos manter um conjunto de interfaces com um padrão pino-compatível. Estas interfaces padrão correspondem, principalmente, às interfaces que nossas placas base de prateleira oferecem. Assim, é uma decisão inteligente seguir o muxing de pinos de nossas placas base. Elas disponibilizam no máximo três interfaces UART. Mas o que você pode fazer se você precisa de mais UARTs? Alguns dos nossos módulos permitem até sete interfaces de UART. O problema é que essas interfaces adicionais estão disponíveis apenas em módulos selecionados, e seus pinos já podem estar em uso para outras interfaces. Como mencionei antes, essa tarefa pode ficar muito complexa.
Com o objetivo de reduzir a complexidade da tarefa de definir o pin muxing, nós desenvolvemos uma ferramenta poderosa, o Toradex Pinout Designer (figura 2). Essa ferramenta permite a comparação de interfaces dos diferentes módulos fornecidos pela Toradex. A ferramenta verifica se um pino é utilizado duas vezes ou se uma determinada função está ou não disponível para um determinado módulo. Também é possível projetar placas base que serão compatíveis com diversos módulos de uma mesma família Toradex, tarefa na qual o Pinout Designer Tool também pode lhe ajudar. Encontre mais informações e faça o download da ferramenta gratuitamente neste endereço.
Figura 2 – Toradex Pinout Designer
Após criar seu diagrama de blocos e definir quais pinos do módulo vai utilizar, você pode começar capturando o esquemático. O modo mais inteligente de fazer isso é começar com um projeto de referência. Como nós temos ciência disso, nós disponibilizamos os diagramas de nossas placas base gratuitamente para download. Se você estiver utilizando Altium Designer, ficará feliz em saber que você pode ainda fazer o download do projeto completo de Altium para nossas principais placas base. Você não terá apenas o esquemático. O projeto em Altium contém também a biblioteca de todos os componentes incluindo os modelos 3D. Todos os nossos reference designs podem ser encontrados para download aqui.
Figura 3 – Esquemático
Uma importante fonte de informações relacionada a esquemáticos é nosso Guia de referência para projeto de placa base. Existem versões específicas para a família Apalis e Colibri disponíveis. Nesse guia você vai encontrar informações concentradas a respeito de cada interface padrão da família. Também estão disponíveis informações importantes sobre circuito de potência, alimentação e sinais de controle. Os documentos possuem esquemáticos de referência adicionais para cada interface. Os Guias podem ser encontrados para download aqui.
Capturar o esquemático frequentemente implica em avaliar novos componentes. Por exemplo, você deve avaliar um novo FET com determinada característica. Muito provavelmente irá encontrar centenas de transistores que atendam seus requisitos, a dificuldade é escolher a melhor opção. Eu vou tentar fornecer alguma informação aqui baseada na minha estratégia pessoal de seleção.
Meu primeiro passo é sempre verificar se já utilizamos um FET que se encaixa nos requisitos em outro projeto. Nosso departamento de compras vai ficar feliz se eu estiver usando os mesmos dispositivos em vários projetos. Se não houver um componente correspondente na nossa biblioteca de componentes da empresa, eu tento obter uma visão geral dos transistores compatíveis. A fim de obter essa lista, uso normalmente a ferramenta de busca paramétrica dos nossos fabricantes de transistores preferidos ou de grandes distribuidores. Eu normalmente crio uma tabela com diferentes componentes e suas principais especificações. Com o objetivo de encontrar o melhor ajuste, preciso criar um ranking entre os componentes. Por exemplo, eu avaliaria componentes com pinagem padronizada, permitindo várias fontes, com notas melhores que componentes com pinagem exclusiva. Preço e disponibilidade são muitas vezes critérios importantes.
Uma vez que não quero esperar por cotações para cada transistor na minha lista (por vezes, ela é bem grande), eu gostaria de ter uma maneira de diminuir a lista para alguns candidatos reais que valem a pena pedir cotações. Na minha opinião, o Ciiva SmartParts Search (figura 4) é uma boa escolha e fornece indicações valiosas. O site fornece as quebras de preços e nível de estoque de muitos distribuidores diferentes sem a necessidade de pesquisar o dispositivo em cada um deles. Ele também fornece uma indicação sobre se o dispositivo vai ficar obsoleto em breve e apresenta a opção de ver níveis históricos de preços e estoque. Se um transistor está em estoque em muitos distribuidores diferentes e o nível de estoque é flutuante, fico convencido de que o componente é amplamente utilizado e não é provável que será descontinuado em breve. Eu estou usando as informações de preço apenas como uma indicação, uma vez que o nosso departamento de compras fará mais tarde em suas próprias cotações com nossos distribuidores preferidos.
Figura 4 – Ciiva – www.ciiva.com
Depois de terminar os diagramas esquemáticos, vem um dos passos mais importantes, a revisão dos esquemas. Eu sei, isso pode ser uma tarefa muito chata. Mas é melhor gastar várias horas ou mesmo dias na revisão intensiva do que perder um mês em reprojetos e novos protótipos do hardware. Pedir que um colega verifique todo o esquema, talvez até mesmo a nível de conexões individuais. Ele deve agir como um cara chato e meticuloso que quer saber todos os detalhes. Entre em uma discussão sobre cada circuito e tente explicar ao seu colega por que você fez o circuito daquela maneira. Eu tenho encontrado muitos erros graves em meus esquemas ao defender os circuitos na frente de um colega.
Antes de pensar em começar a desenhar trilhas e rotear componentes nós temos que decidir qual tipo de placa de circuito impresso (PCB) em termos de camadas (Layers) e tecnologia será mais adequada para nossa placa base. Uma vez que queremos projetar uma placa de baixo custo, gostaria de dispender algum tempo otimizando custos nesta etapa.
Tamanho do PCB: O custo de um PCB aumenta linearmente com seu tamanho. Esta é uma boa razão pela qual um computador em módulo pode ser uma boa solução em termos de custo para seu produto. O pequeno encapsulamento de um SoC e as interfaces de alta velocidade como a interface DDR3 interferem e exigem uma tecnologia de PCB mais cara. O tamanho do PCB com aplicação intensiva de HDI é reduzido no módulo. Uma placa base pode ser feita com tecnologias mais simples e baratas.
Número de camadas: Dependendo da complexidade dos periféricos de seu projeto, uma placa de 4 camadas ou de duas camadas é suficiente para uma placa base. Quanto mais espaço você tiver em sua placa, menos camadas vai precisar. Por exemplo, nossas placas de desenvolvimento (Colibri Evaluation Board e Apalis Evaluation Board) são feitas com PCBs de quatro camadas enquanto a Ixora precisou de um PCB de 6 camadas devido à densidade de componentes.
Espessura do PCB: Você realmente precisa de uma PCB de 1,6mm de espessura? Talvez a rigidez não seja necessária e uma placa de 1mm já seja suficiente para sua aplicação. Reduzir a espessura do PCB significa reduzir a quantidade de material. Adicionalmente, um PCB mais fino permite que mais placas sejam empilhadas no momento da furação, reduzindo tempo de máquina. Não subestime redução de custo gerada por utilizar um PCB mais fino. No entanto, tenha ciência que a rigidez do PCB decresce proporcional ao cubo da espessura. Especialmente se você tiver grandes CIs BGA em sua placa, a flexão do PCB pode causar rachaduras em suas soldas.
Espessura e espaçamento de trilhas: Os custos de PCB podem ser diminuídos mantendo a espessura da trilha e espaçamento com um mínimo de 150µm. Largura de trilha e espaçamento são geralmente definidos pelo encapsulamento dos circuitos integrados. Talvez compense verificar encapsulamentos diferentes. Trilhas com dimensão menor do que 100µm devem ser evitadas uma vez que o preço irá aumentar massivamente.
Controle de Impedância: Controle de impedância adiciona custo extra. Apesar de ser sugerido em nosso Layout Design Guide controlar a impedância para determinados sinais, existem exceções onde você pode dispensar esta recomendação. O fator mais importante é o comprimento das trilhas em sua placa base. Se você tem apenas trilhas curtas de, por exemplo, 100Mbit/s Ethernet e USB 2.0 (480MBit/s), controlar a impedância não é realmente necessário. A velocidade da interface também deve ser considerada, por exemplo, se a velocidade padrão (25MHz) para o SD Card for suficiente, controlar a impedância da trilha não é realmente necessário. Não existe uma regra sobre se o controle de impedância é necessário ou não. A experiência muitas vezes ajuda muito. Se você decidir por não controlar a impedância, um roteamento limpo é ainda mais importante, tente evitar vias "stub", usando "blind via" e "burried via" (mais informações aqui) e considere trilhas de retorno para a corrente dos sinais.
Tolerâncias de furação e fresa: Não exagere com tolerâncias apertadas além do necessário, elas aumentam o preço. Anéis maiores nos furos das vias e dos componentes deixarão mais tolerância para o fabricante do PCB. Adicionar tear drops vai relaxar mais ainda as tolerâncias de furação e aumentar o rendimento. Se você utilizar diâmetros maiores de furação em suas trilhas, o fabricante poderá empilhar mais PCBs no processo de furação e a broca vai durar mais.
Acabamento de superfície: Não subestime os custos das tecnologias de acabamento de superfície. A superfície do módulo Toradex utiliza um acabamento caro: ENIG (electroless nickel immersion gold) com o conector banhado a ouro. Esta necessidade é oriunda dos circuitos BGA com pitch muito justo que utilizamos. Você pode verificar, entretanto, se pode economizar dinheiro utilizando HASL (hot air solder levelling) ou OSP (organic surface protection) como alternativas. Converse com seu fabricante de PCB ou seu CM e discuta o acabamento de superfície.
Misturar componentes SMD e PHT: Esta otimização está relacionada com custo de montagem. Se seu projeto possui componentes SMD (tecnologia de montagem superficial) e PHT (Conectores, ou montagem through-hole), será melhor que você posicione todos os componentes SMD em um único lado da placa (verifique as placas de desenvolvimento Apalis e Colibri). Esta prática possibilita o uso de soldagem por ondas. Talvez cobrir as trilhas seja aconselhável. Se a sua placa requer uma densidade alta, com SMD de ambos os lados (veja nossa Ixora), solda seletiva dos PTH é necessária. Deixe pelo menos 5 milímetros entre os pads dos PTH e os SMD. Caso contrário, solda manual não poderá ser evitada.
Após otimizar o custo do PCB, gostaria de passar algumas dicas que podem ajudar você a acertar de cara sua primeira versão de placa. Primeiro, eu recomendo uma leitura cuidadosa de nosso Layout Design Guide. Nesse guia, nós tentamos condensar as informações importantes para que você evite as armadilhas mais comuns em layouts, especialmente com sinais de alta velocidade. Através dos anos, eu tenho visto muitos e muitos layouts que poderiam ser facilmente melhorados sem nenhum custo adicional de fabricação.
Eu normalmente começo o Layout com os sinais que identifiquei como sendo os mais sensíveis. Tais sinais são, por exemplo PCIe e interfaces de alta velocidade similares. Apesar de iniciar por estes sinais, estou tentando criar um conceito para o roteamento de sinais de baixa velocidade e trilhas de alimentação.
Eu provavelmente não preciso sugerir que você utilize cuidadosamente o design rule check (DRC) de sua ferramenta de layout. Adicionalmente, eu recomendo utilizar uma segunda ferramenta para verificar seus arquivos de fabricação (Gerber files) independente da ferramenta de layout. Com tais práticas, eu já encontrei diversos erros nas configurações de geração dos Gerbers. Normalmente compensa pedir que um colega realize a revisão do Gerber. Uma ferramenta útil e gratuita para visualizar Gerbers é a GC-Prevue da GraphiCode.
Espero ter transmitido dicas úteis para você sobre como otimizar sua placa base.
Peter Lischer, Senior Hardware Development Engineer, Toradex AG
Traduzido por Guilherme Fernandes, original disponível em:
https://www.toradex.com/pt_br/blog/how-to-do-a-low-cost-carrier-board-design e https://www.toradex.com/pt_br/blog/how-to-do-a-low-cost-carrier-board-design-part-2
Mestre em Engenharia Mecatrônica pela Escola de Engenharia de São Carlos (USP) atua como diretor da Toradex Brasil, trabalhando na implantação do escritório de vendas e suporte da empresa para o Brasil. Trabalhou 7 anos como gerente de engenharia de sistemas na área de automação industrial desenvolvendo mais de 300 projetos de máquinas para linhas de montagem e teste de produção para o setor de autopeças.
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Parabéns toradex (e guilherme também…), apesar de ser focado diretamente em um produto, fornece um guia útil para qualquer projeto moderno em áreas relacionadas!
Tive experiẽncia em desenvolver projetos com a Toradex e realmente os layouts abertos e o Pinout Designer ajudam bastante.
Alguns fabricantes disponibilizam apenas o datasheet e você é obrigado a criar uma planilha em para gerenciar os pinos utilizados, o pinout designer facilitou muito! o que eu levei 2 dias em um fabricante gastatei menos de 30 min com esse software. Bem bacana! recomendo!