Como projetar o layout com o RP2350

Anteriormente, como engenheiro eletrônico, projetei muitas placas de desenvolvimento de 2 a 4 camadas, algumas são clones, outras com melhor funcionalidade. O design de placas de desenvolvimento libera o potencial de design de um projetista de PCB; além disso, podemos aprender muitas coisas novas, procedimentos de roteamento por meio dessa pesquisa de hardware. O design de nossa própria placa de desenvolvimento está relacionado à personalização; com um pouco de esforço, podemos ajustar a PCB de acordo com nossos requisitos. Às vezes, para reduzir o custo geral de um sistema, o sistema mínimo para um microcontrolador é preparado e usado como um shield.

Visão Geral da Placa Minimal:

A placa Minimal original foi uma tentativa de fornecer um design de referência simples, usando o mínimo de componentes externos necessários para executar o RP2350, mantendo todos os I/O expostos e acessíveis. Ela consistia em:

• Uma fonte de alimentação (regulador linear de 5V para 3,3V)
• Um oscilador de cristal
• Memória flash
• Conexões de I/O (soquete micro USB e headers GPIO)

As novas placas Minimal da série RP235x mantêm grande parte do mesmo design, mas com as modificações necessárias para acomodar o novo hardware. Além disso, apesar da abordagem minimalista, os botões BOOTSEL e RUN, juntamente com um header SWD separado, foram incluídos para melhorar a experiência de depuração. Embora esses botões não sejam estritamente necessários, pois os sinais permanecem acessíveis nos headers, eles podem ser omitidos se o custo ou as restrições de espaço forem uma prioridade. Agora é a nossa vez de fazer uma PCB personalizada com a funcionalidade do RP2350.

Série RP2040 vs RP235x:

O Raspberry Pi RP2350 representa uma grande evolução no design de microcontroladores, apresentando:

• Processadores ARM Cortex-M33 dual-core
• Núcleos RISC-V duplos
• Velocidade de clock de 150 MHz
• 520 KB de SRAM
• Aceleradores de segurança de hardware.

O RP2350 tem duas séries diferentes, A e B; a diferença entre as duas está listada abaixo:

Fluxo de Design e Requisitos:

O design da placa Minimal visa criar soluções fabricáveis e econômicas usando a série RP235x sem exigir tecnologias avançadas de PCB. As principais escolhas de design incluem:

• PCB de 2 camadas
• Componentes comumente disponíveis
• Todos os componentes montados na camada superior

Embora componentes maiores e soldáveis manualmente fossem preferíveis, o passo de 0,4 mm dos chips QFN exige o uso de passivos 0402 (métrico 1005) para utilizar totalmente todos os GPIOs. Embora os componentes 0402 possam ser soldados manualmente com as ferramentas certas, os QFNs exigem equipamento especializado. O design inclui duas PCBs separadas, uma para cada tamanho de encapsulamento. As referências dos componentes (por exemplo, U1, R1) são consistentes em ambos os designs, exceto onde existem elementos exclusivos (por exemplo, R13 apenas no design QFN-80).

Seções de Esquemático e Layout do RP2350:

O fluxo de design inclui:

1. Seção de Alimentação
2. Seção de capacitores de desacoplamento
3. Seção de memória flash
4. Seção de PSRAM
5. Seção do oscilador de cristal
6. Seção de I/O
7. Botões

Seção de Alimentação:

Primeiro, os 5V de entrada USB são convertidos para 3,3 volts, que servem como tensão de entrada para o RP2350. A conversão é feita com a ajuda de um regulador de tensão linear.

Na seção de layout, mantenha os capacitores de entrada e saída de 10u próximos ao regulador de tensão NCP1117 para manter a fonte de alimentação livre de ruídos. O regulador linear do RP2040 tinha dois pinos, uma entrada de 3,3V e uma saída de 1,1V para alimentar o DVDD no chip. Desta vez, o regulador da série RP235x tem cinco pinos e requer alguns componentes externos para funcionar.

A direcionalidade desses pequenos indutores é praticamente universalmente ignorada, com a orientação do enrolamento da bobina impossível de deduzir e também distribuída aleatoriamente ao longo de uma bobina de componentes. Tamanhos de encapsulamento de indutor maiores muitas vezes podem ter marcações de polaridade, no entanto, não encontramos nenhum adequado no tamanho de encapsulamento 0806 (métrico 2016). Para isso, um indutor especial Abracon de 3,3μH com um ponto para indicar a polaridade é usado no circuito. Os AOTA-B201610S3R3-101-T estão (ou estarão muito em breve) disponíveis ao público em geral por meio de distribuidores.

Como mencionado anteriormente, a alimentação VREG_AVDD é muito sensível a ruídos e, portanto, precisa ser filtrada. Descobrimos que, como o VREG_AVDD consome apenas cerca de 200μA, um filtro RC de 33Ω e 4,7μF é adequado. Um bom exemplo de layout pode ser visto abaixo, mostrando o quão próxima a seção é feita em relação à posição do CI.

Seção de Capacitores de Desacoplamento:

Outro aspecto do design da fonte de alimentação são os capacitores de desacoplamento necessários para o RP2350. Eles fornecem duas funções básicas. Primeiro, filtram o ruído da fonte de alimentação e, segundo, fornecem um suprimento local de carga que os circuitos dentro do RP2350 podem usar em curto prazo. Isso evita que o nível de tensão nas imediações caia muito quando a demanda de corrente aumenta repentinamente. Coloque capacitores cerâmicos de 100nF a até 2 mm de cada pino VDD, complementados por capacitores de bulk de 10µF por domínio de alimentação.

Por causa disso, é importante colocar o desacoplamento próximo aos pinos de alimentação. Normalmente, recomendamos o uso de um capacitor de 100nF por pino de alimentação; no entanto, nos desviamos dessa regra em alguns casos. Veja o layout de exemplo aqui:

Seção de Memória Flash/PSRAM:

O RP2350 não possui flash interno. Claro, os dispositivos RP2354 têm memórias flash internas de 2 MB, então a memória externa U3 não é necessária, então o U3 pode ser removido com segurança do esquemático ou simplesmente deixado despovoado. Roteamento QSPI: Trilhas de comprimento correspondente (ΔL < 150µm) com controle de impedância de 50Ω.

Configuração como Memória Primária:

Para poder armazenar o código do programa a partir do qual o RP2350 pode inicializar e executar, precisamos usar uma memória flash, especificamente, uma memória flash SPI quad. O dispositivo escolhido aqui é um W25Q128JVS, que é um chip de 128 Mbit (16 MB). Este é o maior tamanho de memória que o RP2350 pode suportar. Se sua aplicação específica não precisar de tanto armazenamento, opções de memória menores e mais baratas também estão disponíveis.

Como esse barramento de dados pode ter frequência bastante alta e é usado regularmente, os pinos QSPI do RP2350 devem ser conectados diretamente ao flash, usando conexões curtas para manter a integridade do sinal e também para reduzir a diafonia nos circuitos circundantes. Diafonia é quando os sinais em uma rede de circuito podem induzir tensões indesejadas em um circuito vizinho, potencialmente causando erros.

Embora para fazer as conexões corretamente sejam usados alguns resistores, um total de 4, o primeiro (R1) é um pull-up para a alimentação de 3,3V. A memória flash requer que a entrada de seleção de chip esteja na mesma tensão que seu próprio pino de alimentação de 3,3V quando o dispositivo é ligado; caso contrário, ele não funciona corretamente. O segundo resistor (R6) é um resistor de 1kΩ, conectado a um botão de pressão (SW1) rotulado como 'USB_BOOT'. Isso ocorre porque o pino QSPI_SS é usado como um 'boot strap'; o RP2350 verifica o valor deste I/O durante a sequência de inicialização e, se for encontrado como um 0 lógico, o RP2350 reverte para o modo BOOTSEL, onde o RP2350 se apresenta como um dispositivo de armazenamento em massa USB, e o código pode ser copiado diretamente para ele.  

Configuração como Memória Secundária:

Então, se estivermos usando um RP2354 (que tem um flash interno), poderíamos usar o U3 como um flash secundário, ou até mesmo substituí-lo por um dispositivo PSRAM. Para fazer isso, precisamos desconectar o QSPI_SS do U3 e conectá-lo a um GPIO adequado. O GPIO mais próximo capaz de ser um chip select (XIP_CS1n) é o GPIO0, então, removendo o 0Ω de R10 e colocando-o em R9, agora podemos acessar o U3 além do flash no chip. Para aproveitar totalmente esse recurso, onde temos dois dispositivos de memória externa para que as peças RP2350 sem flash possam se beneficiar, a maior das duas placas Minimal, para o RP2350B, inclui um footprint opcional (U4) para um chip de memória adicional.

Para poder usar este dispositivo, ele obviamente terá que ser povoado, assim como R11 (0Ω) e R13 (10KΩ). A adição de R11 conecta o GPIO0 (o sinal XIP_CS1n) ao chip select da segunda memória. O pull-up no pino de chip select é definitivamente necessário desta vez, pois o estado padrão do GPIO0 é ser puxado para baixo na inicialização, o que faria com que nosso dispositivo flash falhasse. O C22 também seria necessário para fornecer desacoplamento de alimentação local para o U4. Esses resistores (R9 e R10 também) devem ser colocados próximos ao chip flash, para evitar comprimentos adicionais de trilhas de cobre que possam afetar o sinal.

Seção de I/O:

Além do conector USB já mencionado, há um par de headers de fileira dupla de 2,54 mm, um em cada lado da placa, aos quais o restante dos I/O foi conectado. Existem 30 GPIOs no RP2350A, enquanto existem 48 GPIOs no RP2350B, então os headers nesta versão da placa Minimal são maiores para permitir os pinos extras. A fileira interna de pinos em cada header são os I/Os, e a fileira externa está toda conectada ao terra. É uma boa prática incluir muitos aterramentos nos conectores de I/O. Isso ajuda a manter um terra de baixa impedância e também fornece muitos caminhos de retorno potenciais para as correntes que viajam de e para as conexões de I/O.

Ambos os headers estão na mesma grade de 2,54 mm, o que facilita a conexão desta placa a outras coisas, como protoboards. Você pode considerar encaixar apenas um header de fileira única em vez do header de fileira dupla, dispensando a fileira externa de conexões de terra, para tornar mais conveniente o encaixe em uma protoboard.

Botões:

O RP2350 é baseado no microcontrolador RP2040, então, se você está se referindo a uma placa de desenvolvimento com o RP2350, os botões onboard normalmente incluem:

1. Botão BOOTSEL – Usado para entrar no modo de inicialização para gravar firmware via USB.
2. Botão RESET – Usado para reiniciar o microcontrolador.

Esses botões são comuns em placas baseadas no Raspberry Pi RP2040, incluindo o Raspberry Pi Pico. Algumas placas de desenvolvimento RP2350 personalizadas também podem incluir botões adicionais programáveis pelo usuário. A configuração e o diagrama do circuito podem ser encontrados nos esquemáticos principais compartilhados no final deste documento.

Seção do Oscilador de Cristal:

Estritamente falando, o RP2350 não requer realmente uma fonte de clock externa, pois possui seu próprio oscilador interno. No entanto, como a frequência deste oscilador interno não é bem definida ou controlada, variando de chip para chip, bem como com diferentes tensões de alimentação e temperaturas, é recomendado usar uma fonte de frequência externa estável. Aplicações que dependem de frequências exatas não são possíveis sem uma fonte de frequência externa, sendo o USB um excelente exemplo.

Fornecer uma fonte de frequência externa pode ser feito de duas maneiras: fornecendo uma fonte de clock com saída CMOS (onda quadrada de tensão IOVDD) no pino XIN, ou usando um cristal de 12 MHz conectado entre XIN e XOUT.

Usar um cristal é a opção preferida aqui, pois eles são relativamente baratos e muito precisos. O cristal escolhido para este design é um ABM8-272-T3 (Y1 na Figura 10). Este é o mesmo cristal de 12 MHz usado no Raspberry Pi Pico e no Raspberry Pi Pico 2. Recomendamos fortemente o uso deste cristal juntamente com o circuito de acompanhamento para garantir que o clock inicie rapidamente sob todas as condições sem danificar o próprio cristal. O cristal tem uma tolerância de frequência de 30 ppm, o que deve ser bom o suficiente para a maioria das aplicações. Junto com uma tolerância de frequência de +/-30 ppm, ele tem um ESR máximo de 50Ω e uma capacitância de carga de 10 pF, ambos os quais influenciaram a escolha dos componentes de acompanhamento. Para um cristal oscilar na frequência desejada, o fabricante especifica a capacitância de carga que ele precisa para isso e, neste caso, é de 10 pF. Essa capacitância de carga é obtida colocando dois capacitores de igual valor, um em cada lado do cristal para o terra (C3 e C4). Do ponto de vista do cristal, esses capacitores são conectados em série entre seus dois terminais.

Para designs originais do RP2350, recomendamos o uso do cristal Abracon ABM8-272-T3. Este componente é utilizado no exemplo de design minimalista, bem como no esquemático da placa Pico 2 encontrado no Apêndice B do Datasheet do Raspberry Pi Pico 2 e nos arquivos de design do Pico 2.

Para desempenho e estabilidade ideais em faixas de temperatura operacional padrão, o ABM8-272-T3 é a escolha preferida. Ele pode ser adquirido diretamente da Abracon ou por meio de um revendedor autorizado. A placa Pico 2 foi especificamente ajustada para este cristal, que apresenta as seguintes especificações:

• Modelo: Abracon ABM8-272-T3
• Tensão de Operação: 3,3V (ajustado para tensão IOVDD)
• Estabilidade de Frequência: Otimizado para variações de temperatura

Se você decidir usar um cristal com especificações semelhantes, testes completos em várias temperaturas são essenciais para garantir a estabilidade do circuito. Como o oscilador de cristal é alimentado pela tensão IOVDD, o cristal Abracon e o resistor de amortecimento correspondente são ajustados para operação de 3,3V. Se você optar por uma tensão de IO diferente, será necessário reajustar. Quaisquer modificações nos parâmetros do cristal podem introduzir instabilidade nos componentes conectados ao circuito do oscilador.

Fabricação na JLCPCB:

Projetos Open Source no RP2350:

Esquemáticos RP2350:

Projeto no RP2350: Veja através deste link

Projeto no RP2040: Veja através deste link