Anteriormente hablamos de cómo crear una tarjeta de depuración con el RP2040 usando KiCAD. Como primeros pasos agregamos los componentes necesarios y las librerías y luego hicimos las conexiones en el diagrama esquemático. EN esta entrada veremos como distribuir los componentes en la PCB y que consideraciones tomar para su colocación.
Disitribución de los componentes y delineado de la tarjeta
Lo primero que tenemos que hacer es distribuir los componentes y delinear la forma de la tarjeta, no necesariamente en ese orden. En este caso, como queremos que la Raspberry Pi Pico a probar se inserte sobre nuestra tarjeta, vamos a conservar la forma y dimensiones de la Pico. El ancho mínimo del fabricante es de 1in, así que lo modificamos. Luego, dentro del espacio de trabajo, vamos colocando los componentes.
A la tarjeta se añadió un pequeño espacio para conectar los cables del puerto SWD, esto para que fuese más fácil interconectar las dos tarjetas.
Reglas de diseño
Las reglas de diseño se configuraron como sigue. Estan basadas en los requisitos mínimos establecidos por OSH Park. Las reglas se tomaron en cuenta de modo que cualquiera pudiese fabricarlas con métodos no tan especializados.
La definición de los trazos se hizo como sigue. Se trató de conservar el mínimo necesario para las vias de datos, pero para los puertos de energía de 3.3V y GND se buscó el mayor ancho posible, de modo que se pudiese usar una corriente máxima de 500 mA.
Las líneas de datos para el puerto USB se calcularon para que sean de un ancho de 0.77mm con 0.15mm de separación en la capa de arriba, con un plano de tierra a 1.6mm debajo. Esto resultó en una impedancia diferencial ideal de 90 ohms, asumiendo las siguientes consideraciones:
Ruteado de las pistas
Aquí se puede ver el resultado del ruteo. Debido al tamaño de los componentes pasivos, como los resistores y capacitores, el espacio en la tarjeta y su colocación fue crítico, lo que llevo a tomar ciertas licencias en algunos otros componentes como el cristal de cuarzo.
Para la capa de abajo podemos ver el resultado aquí. Se procuró utilizar la menor cantidad de vías para que existiese un mayor plano de tierra.
Algunas notas sobre la distribución de los componentes:
- Se rutearon primero las líneas de datos del conector USB para que tuvieran una conexión directa con el RP2040, sin la necesidad de cambiar de capa (esto para evitar ángulos de 90 grados al pasar de una capa a otra).
- Después se rutearon las pistas que proveen la alimentación, ya que son más anchas que el resto de las pistas. También porque hay muchas conexiones relacionadas a la alimentación, entonces es mejor resolver primero esas conexiones.
- La guía para diseñar hardware para RP2040 recomienda que se usen 9 vías en el pad de tierra que lleva el microcontrolador, esto para que exista un buen camino donde pueda fluir la corriente y haya una forma de disipar el calor. Debido a el poco espacio que quedó con los trazos de la capa de abajo, sólo se pudieron colocar 6 vías. Esto es suficiente para nuestros fines.
- Las pistas que van hacia el cristal del oscilador deben ser lo más rectas y cortas posibles, además de que deben tener la misma longitud en lo posible. Una vez más, los capacitores dieron algunos problemas de espacio, por lo que se trató de dejar lo más cortas posibles las pistas.
- Se colocaron algunos jumpers para las líneas de TX/RX así también para VSYS, en caso de que el usuario desee desconectar estas lineas de la Pico a probar
- Los marcadores fiduciales se añadieron por hábito, aunque no se llegue a usar una máquina pick-and-place para manufacturar una de estas tarjetas.
- Se omitió la máscara de componentes para los pines 0 y 1, esto con el fin de recordar que están siendo usados por el depurador y no están disponibles.
- Se mantuvieron los marcadores REFDES en la máscara de componentes para recordar donde van los componentes cuando se están colocando a mano en la PCB.
Obteniendo los archivos gerber para la fabricación
Estas son las especificaciones que se usaron para el paso de ploteado
Y estas son las especificaciones para el archivo de los barrenos
Los archivos PTH y NPTH se mantienen por separado, esto con la intención de que el proceso de fabricación no recubra de metal los orificios de montaje. Estos archivos se guardaron en un archivo comprimido .zip y se mandaron al fabricante de PCB DKRed.
Conclusiones
Se distribuyeron los componentes de la PCB y se dieron algunas observaciones de diseño para tomar en cuenta. Es importante considerar las especificaciones de diseño para el bus de datos USB, la longitud de las pistas para el cristal oscilador y la alimentación de toda la tarjeta. Se hicieron algunas recomendaciones de usabilidad para ciertos puertos, como los jumpers para los pines RX/TX y la máscara de componentes.
En la siguiente entrada se describe el proceso de montaje de componentes y las pruebas realizadas a la tarjeta final
Referencias:
Hardware Design with the RP2040 Part 2: PCB Layout
