Comment concevoir un layout avec le RP2350

Auparavant, en tant qu’ingénieur en électronique, j’ai conçu de nombreux circuits imprimés de développement à 2-4 couches, certains étant des clones, d’autres offrant de meilleures fonctionnalités. La conception de cartes de développement libère le potentiel de conception d’un concepteur de PCB, de plus, nous pouvons apprendre beaucoup de nouvelles choses, notamment les procédures de routage grâce à cette recherche matérielle. La conception de notre propre carte de développement est liée à la personnalisation ; avec un petit effort, nous pouvons ajuster le PCB selon nos besoins. Parfois, afin de réduire le coût global d’un système, le système minimal pour un microcontrôleur est préparé et utilisé comme shield.

Aperçu de la carte minimale :

La carte minimale originale était une tentative de fournir un design de référence simple, en utilisant le strict minimum de composants externes nécessaires pour faire fonctionner le RP2350 tout en gardant toutes les E/S exposées et accessibles.

Elle se composait de :

• Une source d’alimentation (régulateur linéaire de 5V à 3,3V)

• Un oscillateur à cristal

• Une mémoire Flash

• Des connexions E/S (connecteur micro USB et headers GPIO)

Les nouvelles cartes minimales de la série RP235x conservent en grande partie le même design mais avec des modifications nécessaires pour s’adapter au nouveau matériel. De plus, malgré l’approche minimaliste, des boutons BOOTSEL et RUN, ainsi qu’un header SWD séparé, ont été inclus pour améliorer l’expérience de débogage. Bien que ces boutons ne soient pas strictement nécessaires puisque les signaux restent accessibles via les headers, ils peuvent être omis si le coût ou l’espace sont des priorités.

Il est maintenant temps pour nous de créer un PCB personnalisé avec les fonctionnalités du RP2350.

RP2040 vs série RP235x :

Le Raspberry Pi RP2350 représente une évolution majeure dans la conception des microcontrôleurs, offrant :

• Processeurs ARM Cortex-M33 double cœur
• Cœurs RISC-V doubles
• Fréquence d’horloge de 150 MHz
• 520 Ko de SRAM
• Accélérateurs matériels de sécurité

Le RP2350 possède deux séries différentes, A et B. Les différences entre les deux sont listées ci-dessous :

Flux de conception et exigences :

Le design minimal de la carte vise à créer des solutions manufacturables et économiques utilisant la série RP235x, sans nécessiter de technologies avancées de PCB. Les choix de conception principaux incluent :

• PCB à 2 couches
• Composants couramment disponibles
• Tous les composants montés sur la couche supérieure

Bien que des composants plus grands et soudables à la main seraient préférables, le pas de 0,4 mm des puces QFN nécessite l’utilisation de passifs 0402 (1005 métrique) pour exploiter pleinement tous les GPIO. Bien que les composants 0402 puissent être soudés manuellement avec les outils appropriés, les QFN nécessitent un équipement spécialisé. Le design inclut deux PCB séparés, un pour chaque taille de boîtier. Les références des composants (par ex. U1, R1) sont cohérentes sur les deux designs, sauf pour les éléments uniques (par ex. R13 uniquement sur le design QFN-80).

Sections Schéma et Layout du RP2350 :

Le flux de conception inclut :

1. Section d’alimentation
2. Section des condensateurs de découplage
3. Section mémoire Flash
4. Section PSRAM
5. Section oscillateur à cristal
6. Section E/S
7. Boutons

Section d’alimentation :

Tout d’abord, le 5V d’entrée USB est converti en 3,3 volts, qui sert de tension d’entrée au RP2350. La conversion est réalisée à l’aide d’un régulateur de tension linéaire.

Dans la section de layout, gardez les condensateurs d’entrée et de sortie de 10 µF près du régulateur de tension NCP1117 afin de maintenir l’alimentation sans bruit. Le régulateur linéaire du RP2040 avait deux broches : une entrée 3,3 V et une sortie 1,1 V pour alimenter le DVDD de la puce. Cette fois, le régulateur de la série RP235x possède cinq broches et nécessite quelques composants externes pour fonctionner.

La directionnalité de ces petits inducteurs est pratiquement toujours ignorée, l’orientation de l’enroulement de la bobine étant impossible à déterminer, et ils sont également distribués de manière aléatoire sur une bande de composants. Les inducteurs de plus grande taille peuvent souvent présenter des marquages de polarité, mais nous n’avons trouvé aucun modèle approprié dans le boîtier 0806 (2016 métrique). Pour cela, un inducteur Abracon spécial de 3,3 µH avec un point indiquant la polarité est utilisé dans le circuit. Les AOTA-B201610S3R3-101-T sont (ou seront très prochainement) disponibles pour le grand public chez les distributeurs.

Comme mentionné précédemment, l’alimentation VREG_AVDD est très sensible au bruit et doit donc être filtrée. Nous avons constaté que, comme le VREG_AVDD ne consomme qu’environ 200 µA, un filtre RC de 33 Ω et 4,7 µF est suffisant. Un bon exemple de layout peut être vu ci-dessous, montrant à quel point cette section est réalisée en fonction de la position du circuit intégré.

Section des condensateurs de découplage :

Un autre aspect de la conception de l’alimentation concerne les condensateurs de découplage nécessaires pour le RP2350. Ils remplissent deux fonctions principales. Premièrement, ils filtrent le bruit de l’alimentation, et deuxièmement, ils fournissent une réserve locale de charge que les circuits internes du RP2350 peuvent utiliser rapidement. Cela empêche la tension dans la zone immédiate de chuter trop lorsque la demande de courant augmente soudainement. Placez des condensateurs céramiques de 100 nF à moins de 2 mm de chaque broche VDD, complétés par des condensateurs de 10 µF par domaine d’alimentation.

Pour cette raison, il est important de placer les condensateurs de découplage près des broches d’alimentation. Habituellement, nous recommandons l’utilisation d’un condensateur de 100 nF par broche d’alimentation, mais nous dérogeons à cette règle dans quelques cas. Voir l’exemple de layout ci-dessous :

Section Mémoire/PSRAM :

Le RP2350 n’a pas de mémoire flash interne. Bien sûr, les dispositifs RP2354 possèdent des mémoires flash internes de 2 Mo, donc la mémoire externe U3 n’est pas nécessaire ; U3 peut donc être retiré en toute sécurité du schéma ou simplement laissé non soudé.

Routage QSPI : traces de longueur appariée (ΔL < 150 µm) avec contrôle d’impédance de 50 Ω.

Configuration comme mémoire principale :

Pour pouvoir stocker le code programme que le RP2350 peut démarrer et exécuter, nous devons utiliser une mémoire flash, plus précisément une mémoire flash Quad SPI. Le dispositif choisi ici est un W25Q128JVS, une puce de 128 Mbit (16 Mo). C’est la plus grande taille de mémoire que le RP2350 peut supporter. Si votre application particulière n’a pas besoin d’autant de stockage, des options de mémoire plus petites et moins chères sont également disponibles.

Comme ce bus de données peut être de fréquence assez élevée et est utilisé régulièrement, les broches QSPI du RP2350 doivent être connectées directement à la mémoire flash, en utilisant des connexions courtes pour maintenir l’intégrité du signal et réduire également le diaphonie dans les circuits voisins. La diaphonie se produit lorsque les signaux sur un réseau de circuit peuvent induire des tensions indésirables sur un circuit voisin, pouvant potentiellement provoquer des erreurs.

Bien que, pour effectuer correctement les connexions, quelques résistances soient utilisées, au total quatre. La première (R1) est une résistance de tirage vers l’alimentation 3,3 V. La mémoire flash nécessite que l’entrée chip select soit à la même tension que sa broche d’alimentation 3,3 V au moment de la mise sous tension, sinon elle ne fonctionne pas correctement.

La deuxième résistance (R6) est une résistance de 1 kΩ, connectée à un bouton-poussoir (SW1) nommé « USB_BOOT ». En effet, la broche QSPI_SS est utilisée comme « boot strap » : le RP2350 vérifie la valeur de cette E/S pendant la séquence de démarrage, et si elle est à l’état logique 0, le RP2350 passe en mode BOOTSEL, où il se présente comme un périphérique de stockage de masse USB et le code peut y être copié directement.

Configuration comme mémoire secondaire :

Ainsi, si nous utilisons un RP2354 (qui possède une mémoire flash interne), nous pourrions utiliser U3 comme mémoire flash secondaire, ou même le remplacer par un dispositif PSRAM. Pour cela, il faut déconnecter QSPI_SS de U3 et le connecter à un GPIO approprié. Le GPIO le plus proche pouvant servir de sélection de puce (XIP_CS1n) est GPIO0 ; en retirant la résistance de 0 Ω de R10 et en la plaçant sur R9, nous pouvons désormais accéder à U3 en plus de la mémoire interne.

Afin de tirer pleinement parti de cette fonctionnalité, où nous disposons de deux mémoires externes pour que les puces RP2350 dépourvues de flash puissent en bénéficier, la plus grande des deux cartes Minimal, pour le RP2350B, inclut un emplacement optionnel (U4) pour une puce mémoire supplémentaire.

Pour pouvoir utiliser ce dispositif, il devra évidemment être soudé, ainsi que R11 (0 Ω) et R13 (10 kΩ). L’ajout de R11 connecte GPIO0 (le signal XIP_CS1n) à la sélection de puce de la seconde mémoire. Le tirage vers le haut sur la broche de sélection de puce est indispensable cette fois, car l’état par défaut de GPIO0 est tiré à zéro au démarrage, ce qui ferait échouer notre dispositif flash. C22 est également nécessaire pour fournir un découplage local de l’alimentation pour U4. Ces résistances (ainsi que R9 et R10) doivent être placées près de la puce flash afin d’éviter des longueurs supplémentaires de pistes cuivre qui pourraient affecter le signal.

Section E/S :

En plus du connecteur USB déjà mentionné, il y a une paire de headers à double rangée de 2,54 mm, un de chaque côté de la carte, auxquels le reste des E/S a été connecté. Le RP2350A possède 30 GPIO, tandis que le RP2350B en possède 48, donc les headers sur cette version de la carte Minimal sont plus grands pour permettre l’accès aux broches supplémentaires. La rangée intérieure de chaque header correspond aux E/S, et la rangée extérieure est entièrement connectée à la masse. Il est recommandé d’inclure de nombreux points de masse sur les connecteurs E/S. Cela aide à maintenir une masse à faible impédance et fournit également de nombreux chemins de retour potentiels pour les courants circulant vers et depuis les connexions E/S.

Les deux headers sont sur la même grille de 2,54 mm, ce qui facilite la connexion de cette carte à d’autres dispositifs, comme des breadboards. Vous pouvez envisager de n’installer qu’un header à simple rangée au lieu du header double rangée, en supprimant la rangée extérieure de connexions à la masse, afin de rendre la carte plus pratique à monter sur une breadboard.

Boutons :

Le RP2350 est basé sur le microcontrôleur RP2040. Ainsi, si vous faites référence à une carte de développement avec le RP2350, les boutons intégrés comprennent généralement :

1. Bouton BOOTSEL – Utilisé pour entrer en mode boot afin de flasher le firmware via USB.
2. Bouton RESET – Utilisé pour réinitialiser le microcontrôleur.

Ces boutons sont communs sur les cartes basées sur le RP2040, y compris le Raspberry Pi Pico. Certaines cartes de développement RP2350 personnalisées peuvent également inclure des boutons supplémentaires programmables par l’utilisateur. La configuration et le schéma du circuit se trouvent dans les schémas principaux partagés à la fin de ce document.

Section Oscillateur à Cristal :

Strictement parlant, le RP2350 n’a pas réellement besoin d’une source d’horloge externe, car il dispose de son propre oscillateur interne. Cependant, comme la fréquence de cet oscillateur interne n’est pas bien définie ni contrôlée, variant d’une puce à l’autre ainsi qu’avec différentes tensions d’alimentation et températures, il est recommandé d’utiliser une source de fréquence externe stable. Les applications nécessitant des fréquences exactes ne sont pas possibles sans source de fréquence externe, l’USB en étant un exemple majeur.

La fourniture d’une source de fréquence externe peut se faire de deux manières : soit en fournissant une source d’horloge avec une sortie CMOS (onde carrée à la tension IOVDD) sur la broche XIN, soit en utilisant un cristal de 12 MHz connecté entre XIN et XOUT.

L’utilisation d’un cristal est l’option préférée ici, car ils sont à la fois relativement peu coûteux et très précis. Le cristal choisi pour ce design est un ABM8-272-T3 (Y1 sur la Figure 10). Il s’agit du même cristal de 12 MHz utilisé sur le Raspberry Pi Pico et le Raspberry Pi Pico 2. Nous recommandons fortement d’utiliser ce cristal avec le circuit associé afin de garantir que l’horloge démarre rapidement dans toutes les conditions, sans endommager le cristal lui-même.

Le cristal a une tolérance de fréquence de 30 ppm, ce qui devrait être suffisant pour la plupart des applications. Avec cette tolérance de ±30 ppm, il présente une ESR maximale de 50 Ω et une capacité de charge de 10 pF, qui ont toutes deux influencé le choix des composants associés. Pour qu’un cristal oscille à la fréquence désirée, le fabricant spécifie la capacité de charge nécessaire, qui est ici de 10 pF. Cette capacité de charge est obtenue en plaçant deux condensateurs de valeur égale, un de chaque côté du cristal vers la masse (C3 et C4). Du point de vue du cristal, ces condensateurs sont connectés en série entre ses deux bornes.

Pour les conceptions originales du RP2350, nous recommandons d’utiliser le cristal Abracon ABM8-272-T3. Ce composant est utilisé dans l’exemple de design minimal, ainsi que dans le schéma de la carte Pico 2, que l’on trouve en Annexe B de la datasheet du Raspberry Pi Pico 2 et dans les fichiers de conception du Pico 2.

Pour des performances et une stabilité optimales sur les plages de température standard, l’ABM8-272-T3 est le choix recommandé. Il peut être acheté directement auprès d’Abracon ou via un revendeur agréé.

La carte Pico 2 a été spécialement calibrée pour ce cristal, qui présente les spécifications suivantes :

• Modèle : Abracon ABM8-272-T3
• Tension de fonctionnement : 3,3 V (ajusté pour la tension IOVDD)
• Stabilité de fréquence : Optimisée pour les variations de température

Si vous décidez d’utiliser un cristal avec des spécifications similaires, des tests approfondis à différentes températures sont essentiels pour garantir la stabilité du circuit. Étant donné que l’oscillateur à cristal est alimenté par la tension IOVDD, le cristal Abracon et la résistance d’amortissement correspondante sont calibrés pour un fonctionnement à 3,3 V. Si vous choisissez une autre tension d’E/S, un recalibrage sera nécessaire. Toute modification des paramètres du cristal pourrait introduire de l’instabilité dans les composants connectés au circuit de l’oscillateur.

Fabrication chez JLCPCB :

Projets Open Source sur RP2350 :

Schémas RP2350 :

Projet sur RP2350 : consultez ce lien

Projet sur RP2040 : consultez ce lien