RP2350으로 레이아웃 설계하는 방법

전자공학자로서 저는 2-4층 개발 보드를 다수 설계해왔으며, 일부는 클론이고 일부는 더 나은 기능을 갖춘 것입니다. 개발 보드 설계는 PCB 설계자의 설계 잠재력을 열어주며, 하드웨어 기반 연구를 통해 새로운 것들과 라우팅 절차를 많이 배울 수 있습니다. 자체 개발 보드 설계는 맞춤화와 관련이 있으며, 약간의 노력으로 요구사항에 맞춰 PCB를 조정할 수 있습니다. 때로는 시스템의 전체 비용을 줄이기 위해 마이크로컨트롤러를 위한 최소 시스템을 만들어 쉴드로 사용하기도 합니다.

최소 보드 개요:

원래의 Minimal 보드는 RP2350을 구동하는 데 필요한 최소한의 외부 부품만을 사용하면서도 모든 I/O를 노출하고 접근 가능하게 유지하는 간단한 참조 설계를 제공하려는 시도였습니다. 다음으로 구성되었습니다:

• 전원 공급원 (5V → 3.3V 선형 레귤레이터)
• 크리스탈 발진기
• 플래시 메모리
• I/O 연결 (micro USB 소켓 및 GPIO 헤더)

새로운 RP235x 시리즈 Minimal 보드는 동일한 설계를 대부분 유지하면서도 새로운 하드웨어를 수용하기 위한 필요한 수정이 이루어졌습니다. 또한 미니멀리즘 접근 방식에도 불구하고 디버깅 경험을 개선하기 위해 BOOTSEL 및 RUN 버튼과 별도의 SWD 헤더가 포함되었습니다. 이 버튼들은 신호가 헤더에서 계속 접근 가능하므로 엄격히 필요하지는 않으며, 비용이나 공간 제약이 우선일 경우 생략할 수 있습니다. 이제 RP2350 기능을 탑재한 맞춤 PCB를 만들 차례입니다.

RP2040 대 RP235x 시리즈:

Raspberry Pi RP2350은 마이크로컨트롤러 설계의 주요 진화를 대표하며, 다음과 같은 특징을 가지고 있습니다:

• 듀얼코어 ARM Cortex-M33 프로세서
• 듀얼 RISC-V 코어
• 150 MHz 클럭 속도
• 520 KB SRAM
• 하드웨어 보안 가속기

RP2350은 A와 B 두 가지 시리즈가 있으며, 차이점은 다음과 같습니다:

설계 흐름 및 요구사항:

Minimal 보드 설계는 첨단 PCB 기술 없이도 RP235x 시리즈를 활용해 제조 가능하고 비용 효율적인 솔루션을 만드는 것을 목표로 합니다. 주요 설계 선택 사항은 다음과 같습니다:

• 2층 PCB
• 일반적으로 사용 가능한 부품
• 모든 부품을 상단 면에 장착

더 크고 수동 납땜이 가능한 부품이 바람직하겠지만, QFN 칩의 0.4mm 피치 때문에 모든 GPIO를 완전히 활용하려면 0402(1005 메트릭) 패시브를 사용해야 합니다. 0402 부품은 적절한 도구가 있으면 수동 납땜이 가능하지만, QFN은 전문 장비가 필요합니다. 설계에는 두 가지 패키지 크기 각각에 대한 별도의 PCB가 포함되어 있습니다. 부품 참조(예: U1, R1)는 두 설계 모두에서 일관되며, 고유한 요소가 있는 경우(예: QFN-80 설계의 R13)만 예외입니다.

RP2350의 회로도 및 레이아웃 섹션:

설계 흐름은 다음을 포함합니다:

1. 전원 섹션
2. 디커플링 커패시터 섹션
3. 플래시 메모리 섹션
4. PSRAM 섹션
5. 크리스탈 발진기 섹션
6. I/O 섹션
7. 버튼

전원 섹션:

먼저 입력 USB 5V는 RP2350의 입력 전압인 3.3V로 변환됩니다. 이 변환은 선형 전압 레귤레이터를 통해 수행됩니다.

레이아웃 섹션에서 10uF 입력 및 출력 커패시터를 NCP1117 전압 레귤레이터 근처에 배치하여 전원 공급 장치의 노이즈를 제거하십시오. RP2040의 선형 레귤레이터는 2개 핀, 3.3V 입력 및 칩의 DVDD를 공급하는 1.1V 출력이 있었습니다. 이번에 RP235x 시리즈의 레귤레이터는 5개 핀이 있으며, 작동하려면 일부 외부 부품이 필요합니다.

이러한 소형 인덕터의 방향성은 대체로 무시되며, 코일 권선 방향을 알 수 없고, 부품 릴을 따라 무작위로 배치됩니다. 더 큰 인덕터 케이스 크기에는 극성 표시가 있는 경우가 많지만, 0806(2016 메트릭) 케이스 크기에서는 적합한 것을 찾을 수 없었습니다. 따라서 회로에는 극성을 나타내는 점이 있는 특별한 Abracon 3.3μH 인덕터가 사용됩니다. AOTA-B201610S3R3-101-T는 (또는 곧) 유통업체를 통해 일반 대중에게 제공될 예정입니다.

앞서 언급했듯이, VREG_AVDD 공급은 노이즈에 매우 민감하므로 필터링이 필요합니다. VREG_AVDD는 약 200μA만 소모하므로 33Ω 및 4.7μF의 RC 필터로 충분합니다. 아래에 레이아웃의 좋은 예를 볼 수 있으며, IC 위치에 대해 얼마나 밀접하게 만들어졌는지 확인할 수 있습니다.

디커플링 커패시터 섹션:

전원 공급 장치 설계의 또 다른 측면은 RP2350에 필요한 디커플링 커패시터입니다. 이는 두 가지 기본 기능을 제공합니다. 첫째, 전원 공급 장치 노이즈를 필터링하고, 둘째, RP2350 내부 회로가 단시간에 사용할 수 있는 전하의 지역 공급을 제공합니다. 이는 전류 요구가 갑자기 증가할 때 주변의 전압 수준이 너무 많이 떨어지는 것을 방지합니다. 각 VDD 핀에서 2mm 이내에 100nF 세라믹 커패시터를 배치하고, 전력 도메인당 10µF 벌크 커패시터로 보완합니다.

따라서 디커플링을 전원 핀 근처에 배치하는 것이 중요합니다. 일반적으로 전원 핀당 100nF 커패시터 사용을 권장하지만, 몇 가지 경우에서 이 규칙에서 벗어납니다. 여기에 레이아웃 예를 참조하십시오:

플래시 메모리/PSRAM 섹션:

RP2350에는 내부 플래시가 없습니다. RP2354 장치에는 내부 2MB 플래시 메모리가 있으므로 외부 U3 메모리가 필요하지 않으며, 회로도에서 U3를 안전하게 제거하거나 단순히 비워 둘 수 있습니다. QSPI 라우팅: 길이 일치 트레이스(ΔL < 150µm) 및 Ω 임피던스 제어.

기본 메모리로서의 구성:

RP2350이 부팅하고 실행할 수 있는 프로그램 코드를 저장하려면 플래시 메모리, 특히 쿼드 SPI 플래시 메모리가 필요합니다. 여기에서 선택된 장치는 W25Q128JVS로, 128Mbit 칩(16MB)입니다. 이는 RP2350이 지원할 수 있는 최대 메모리 크기입니다. 특정 애플리케이션에 이 정도의 저장 공간이 필요하지 않다면, 더 작고 저렴한 메모리 옵션도 사용할 수 있습니다.

이 데이터버스는 꽤 높은 주파수로 정기적으로 사용되므로, RP2350의 QSPI 핀을 플래시에 직접 연결하고 신호 무결성을 유지하며 주변 회로의 크로스토크를 줄이기 위해 짧은 연결을 사용해야 합니다. 크로스토크는 한 회로 넷의 신호가 인접 회로에 원치 않는 전압을 유도하여 잠재적으로 오류를 발생시킬 수 있는 현상입니다.

연결을 제대로 하기 위해 총 4개의 저항이 사용됩니다. 첫 번째(R1)는 3.3V 공급 전압에 대한 풀업입니다. 플래시 메모리는 전원이 공급될 때 칩 선택 입력이 자체 3.3V 공급 핀과 같은 전압이어야 정상적으로 작동합니다. 두 번째 저항(R6)은 1kΩ 저항으로, 푸시 버튼(SW1)에 연결되어 있으며 'USB_BOOT'라고 표시됩니다. QSPI_SS 핀은 '부트 스트랩'으로 사용되기 때문입니다. RP2350은 부팅 시퀀스 중에 이 I/O 값을 확인하고, 논리 0으로 감지되면 RP2350은 BOOTSEL 모드로 전환되어 USB 대용량 저장 장치로 표시되며, 코드를 직접 복사할 수 있습니다.

보조 메모리로서의 구성:

RP2354(내부 플래시 있음)를 사용하는 경우, U3를 보조 플래시로 사용하거나 PSRAM 장치로 교체할 수 있습니다. 이를 위해 QSPI_SS를 U3에서 분리하고 적절한 GPIO에 연결해야 합니다. 칩 선택(XIP_CS1n)이 될 수 있는 가장 가까운 GPIO는 GPIO0이므로, R10에서 0Ω을 제거하고 R9에 장착하면 U3에 온칩 플래시 외에 추가로 접근할 수 있습니다. 이 기능을 완전히 활용하기 위해 플래시가 없는 RP2350 부품이 혜택을 볼 수 있도록 두 개의 외부 메모리 장치를 갖추기 위해, RP2350B용 더 큰 Minimal 보드에는 추가 메모리 칩(U4)을 위한 선택적 패드가 포함되어 있습니다.

이 장치를 사용하려면 장착해야 하며, R11(0Ω) 및 R13(10KΩ)도 필요합니다. R11을 추가하면 GPIO0(XIP_CS1n 신호)가 두 번째 메모리의 칩 선택에 연결됩니다. 칩 선택 핀의 풀업은 이번에 반드시 필요합니다. GPIO0의 기본 상태는 전원 공급 시 풀다운되어 있어 플래시 장치가 실패하기 때문입니다. C22도 U4를 위한 지역 전원 공급 디커플링을 제공하기 위해 필요합니다. 이 저항들(R9 및 R10 포함)은 플래시 칩 근처에 배치하여 신호에 영향을 줄 수 있는 추가 구리 트랙 길이를 피해야 합니다.

I/O 섹션:

이미 언급한 USB 커넥터 외에도, 보드의 양쪽에 각각 하나씩 듀얼 로우 2.54mm 헤더가 있으며, 나머지 I/O가 연결되어 있습니다. RP2350A에는 30개의 GPIO가 있고, RP2350B에는 48개의 GPIO가 있으므로, 이 버전의 Minimal 보드에는 헤더가 더 커서 추가 핀을 수용할 수 있습니다. 각 헤더의 내측 핀은 I/O이고, 외측 핀은 모두 접지에 연결되어 있습니다. I/O 커넥터에 많은 접지를 포함하는 것은 좋은 관행입니다. 이는 낮은 임피던스 접지를 유지하고, I/O 연결을 통해 오가는 전류의 다양한 복귀 경로를 제공하는 데 도움이 됩니다.

두 헤더 모두 동일한 2.54mm 그리드에 있어, 이 보드를 브레드보드 등에 연결하기 쉽습니다. 브레드보드에 장착하기 더 편리하도록 듀얼 로우 헤더 대신 단일 로우 헤더만 장착하는 것을 고려할 수 있습니다.

버튼:

RP2350은 RP2040 마이크로컨트롤러를 기반으로 하므로, RP2350이 탑재된 개발 보드의 온보드 버튼은 일반적으로 다음을 포함합니다:

1. BOOTSEL 버튼 – USB를 통해 펌웨어를 플래싱하기 위한 부트 모드 진입에 사용됩니다.
2. 리셋 버튼 – 마이크로컨트롤러를 리셋하는 데 사용됩니다.

이 버튼들은 Raspberry Pi Pico를 포함한 Raspberry Pi RP2040 기반 보드에서 흔합니다. 일부 맞춤 RP2350 개발 보드에는 추가 사용자 프로그래밍 가능 버튼이 포함될 수도 있습니다. 구성 및 회로도는 이 문서 말미에 공유된 주요 회로도에서 찾을 수 있습니다.

크리스탈 발진기 섹션:

엄밀히 말하면, RP2350은 실제로 외부 클록 소스를 필요로 하지 않으며, 자체 내부 발진기를 가지고 있습니다. 그러나 이 내부 발진기의 주파수는 칩마다, 공급 전압 및 온도에 따라 잘 정의되거나 제어되지 않으므로, 안정적인 외부 주파수 소스를 사용하는 것이 좋습니다. 정확한 주파수에 의존하는 애플리케이션은 외부 주파수 소스 없이는 불가능하며, USB가 대표적인 예입니다.

외부 주파수 소스를 제공하는 방법은 두 가지가 있습니다: XIN 핀에 IOVDD 전압의 CMOS 출력(사각파) 클록 소스를 제공하거나, XIN과 XOUT 사이에 12MHz 크리스탈을 연결하는 것입니다.

크리스탈을 사용하는 것이 여기서 선호되는 옵션으로, 상대적으로 저렴하고 매우 정확하기 때문입니다. 이 설계에서 선택된 크리스탈은 ABM8-272-T3(그림 10의 Y1)입니다. 이는 Raspberry Pi Pico 및 Raspberry Pi Pico 2에서 사용되는 동일한 12MHz 크리스탈입니다. 이 크리스탈과 함께 제공되는 회로를 사용하여 모든 조건에서 클록이 빠르게 시작되고 크리스탈 자체가 손상되지 않도록 하는 것이 좋습니다. 이 크리스탈은 30ppm 주파수 허용 오차를 가지고 있으며, 대부분의 애플리케이션에 충분해야 합니다. ±30ppm 주파수 허용 오차와 함께 최대 ESR 50Ω 및 10pF 부하 용량을 가지고 있으며, 이는 동반 구성 요소 선택에 영향을 미쳤습니다. 크리스탈이 원하는 주파수로 발진하려면, 제조업체가 지정한 부하 용량이 필요하며, 이 경우 10pF입니다. 이 부하 용량은 크리스탈의 각 측면에 접지에 동일한 값의 커패시터를 배치하여 달성됩니다(C3 및 C4). 크리스탈의 관점에서, 이러한 커패시터는 두 터미널 사이에 직렬로 연결됩니다.

원본 RP2350 설계의 경우, Abracon ABM8-272-T3 크리스탈 사용을 권장합니다. 이 구성 요소는 최소 설계 예제와 함께 Raspberry Pi Pico 2 데이터시트의 부록 B 및 Pico 2 설계 파일에서 찾을 수 있는 Pico 2 보드 회로도에도 사용됩니다.

표준 작동 온도 범위에서 최적의 성능 및 안정성을 위해, ABM8-272-T3가 선호되는 선택입니다. 이는 Abracon에서 직접 또는 공인 리셀러를 통해 조달할 수 있습니다. Pico 2 보드는 이 크리스탈에 특별히 튜닝되었으며, 다음 사양을 특징으로 합니다:

• 모델: Abracon ABM8-272-T3
• 작동 전압: 3.3V (IOVDD 전압에 맞춤 조정)
• 주파수 안정성: 온도 변화에 최적화

유사한 사양의 크리스탈을 사용하기로 결정한 경우, 회로 안정성을 보장하기 위해 다양한 온도에서 철저한 테스트가 필수입니다. 크리스탈 발진기는 IOVDD 전압으로 전원이 공급되므로, Abracon 크리스탈 및 해당 댐핑 저항은 3.3V 작동에 맞춰 조정됩니다. 다른 IO 전압을 선택한 경우, 재조정이 필요합니다. 크리스탈 매개변수에 대한 수정은 발진기 회로에 연결된 구성 요소의 불안정을 유발할 수 있습니다.

JLCPCB에서 제작:

RP2350 오픈소스 프로젝트:

RP2350 회로도:

RP2350 프로젝트: 이 링크를 통해 보기

RP2040 프로젝트: 이 링크를 통해 보기