序言

В этой части последовательно рассказывается о дизайне внешнего размера, выборе и проектировании чипа и разработке принципиальной схемы и печатной платы.

При выборе и проектировании чипов основное внимание уделяется FPGA, источнику питания, AD и DA схемам. Подробно рассматривается источник питания: формула выбора значения индуктивности для DCDC, основанная на значении индуктивности и других параметрах, а также введение дифференциального усилителя в схему ADC и способ добавления синфазного напряжения.

Печатная плата была разработана в Shenzhen Jiaricheng, сборка и тестирование проводились в лаборатории школы. Общий объём текста составляет около 3500 слов, включая 20 рисунков.

Дизайн внешнего размера

Внешний размер печатной платы показан на рисунке выше.

Целью проекта является создание комплекта для разработки FPGA-платы, совместимой с Raspberry Pi, поэтому необходимо предусмотреть 40-контактный разъём ввода-вывода для подключения к Raspberry Pi.

Большинство производителей печатных плат предлагают четырёхслойные платы размером 100 мм по цене, которая служит разделительной линией:

• Jiedianbang предлагает четырёхслойную плату размером 99 x 99 мм по цене 200 юаней за 10 штук, а четырёхслойную плату размером 101 x 101 мм — по 439 юаней за 10 штук;
• Huqiuyile предлагает четырёхслойную плату размером 99 x 99 мм по цене 199 юаней за 10 штук, а четырёхслойную плату размером 101 x 101 мм — по 370 юаней за 10 штук;
• Shenzhen Jiaricheng предлагает четырёхслойную плату размером 99 x 99 мм по цене 80 юаней за 10 штук, а четырёхслойную плату размером 101 x 101 мм — по 271,4 юаня за 10 штук. (запрос цены от 20 июня 2021 года).

Поэтому основной корпус имеет форму квадрата со стороной 99 миллиметров, что обеспечивает наилучшее соотношение цены и качества. Кроме того, при первоначальном проектировании учитывалось, что сетевой порт Raspberry Pi может мешать подключению контактов, поэтому был предусмотрен зазор размером 7 x 21 миллиметр.

(Вопрос: «Ethernet: я мешаю?»)

Выбор и проектирование чипа

FPGA были дорогими, когда они только появились, но в последние годы их стоимость постепенно снижается. Среди них серия Cyclone IV E компании Altera EP4CE115F23I7N считается наиболее выгодной. Её ресурсы включают:

На данный момент цена на этот чип в магазине Taobao «Shenzhen Yehongkeji» составляет всего 110 юаней (проверено вечером 20 июня 2021 года, цена составляет 110 юаней, я помню, что некоторое время назад она составляла 95 юаней, похоже, что цены на чипы действительно растут).

Рисунок выше представляет собой принципиальную схему JTAG-загрузки FPGA, конфигурацию FPGA и схему часов кристалла, а конфигурация использует SPI_FLASH-чип Winbond W25Q64.

На рисунке выше показана компоновка FPGA. Использование резисторов 0 Ом для подачи питания на FPGA полезно для отладки печатной платы; сквозные отверстия расположены на заземляющей площадке развязывающего конденсатора, что способствует минимизации электромагнитных помех. Зазор между двумя контактными площадками развязывающих конденсаторов на задней стороне FPGA составляет 0,5 миллиметра, зазор между контактными площадками BGA484 на задней стороне также составляет 0,5 миллиметра, что особенно удобно при выводе ножек BGA.

Источник питания и дизайн

Для этого проекта выбран тип источника питания C. Я выбрал материнскую плату типа C в магазине Taobao «Risym».

Материнская плата имеет только шесть контактных площадок для пайки: GND1 VBUS1 C1 C2 VBUS2 GND2; четыре механических контакта не имеют короткого замыкания ни с одним из контактов для пайки (я проверил это с помощью мультиметра). При рисовании принципиальных схем механические контакты могут быть подключены к земле (я подключил их к земле), контакты для пайки VBUS1 и VBUS2 выводят 5,1 В, а C1 и C2 подключаются к земле через резисторы R44 и R55 по 1 кОм, чтобы обмануть PD Quick Charge (5 В 3 А). Во время пайки, если припаять только контактные площадки для пайки и не припаять механические контакты, существует риск обрыва олова во время вставки и извлечения, что может привести к отсоединению Type C (у меня уже было такое...). Поэтому лучше припаять и механические контакты. Контакты 5V Raspberry Pi 4b и 5V источника питания соединены напрямую, поэтому резистор 0 Ом R43 соединяет GPIO Raspberry Pi и источник питания D5V, позволяя Raspberry Pi подавать питание на печатную плату или позволяя печатной плате подавать питание на Raspberry Pi через GPIO. Независимо от способа подачи питания, после подключения земля печатной платы и Raspberry Pi всегда будут соединены. Независимо от способа подачи питания индикатор питания D6 всегда будет гореть после подачи питания.

Рисунок выше — принципиальная схема TPS54531. При выборе микросхемы преобразователя мощности учитывается, что для питания ядра FPGA требуется относительно большой ток 1,2 В, поэтому выбирается TPS54531 с синхронным выпрямителем. Этот преобразователь имеет широкий диапазон входного напряжения (от 3,5 до 28 В), максимальный выходной ток 5 А и программируемое выходное напряжение. Требуется только внешняя конфигурация индуктора, диода и конденсатора фильтра. На рисунке выше представлена принципиальная схема TPS54531, диод D1 — это так называемый диод свободного хода, который блокирует проводимость, когда транзистор Q1 проводит, и образует контур, когда Q1 блокируется, обеспечивая питание нагрузки. Формула расчёта минимальной индуктивности: $$ L_{MIN} = \frac{V_{OUT} \times (V_{IN(MAX)} - V_{OUT})}{V_{IN(MAX)} \times K_{IND} \times I_{OUT} \times f_{sw}} $$ Частота переключения TPS54531 составляет 570 кГц, FPGA требует максимум 3,5 А тока, поэтому $$ V_{OUT}=1,2V，V_{IN(MAX)}=5V，f_{sw}=570kHz，K_{IND}=0.2，I_{OUT}=3.5A $$ Таким образом, значение индуктивности выбрано равным 2,2 мкГн. В этом случае пиковый ток пульсации через катушку индуктивности равен: $$ I_{ripple} = \frac{V_{OUT} \times (V_{IN(MAX)} - V_{OUT})}{V_{IN(MAX)} \times L_{OUT} \times f_{sw} \times 0.8}=0.875A $$ Следовательно, пиковый ток через катушку индуктивности составляет: $$ I_{L(RMS)} = \sqrt{I_{OUT}^2 + \frac{1}{12} \times I_{ripple}^2}=3.509A $$ Пиковый ток катушки индуктивности составляет: $$ I_{L(peak)} = I_{OUT} + \frac{1}{2} \times I_{ripple}=3.9375A $$ Выбранная катушка индуктивности имеет номинальный ток 7,5 А, что соответствует требованиям. Если индуктивность определяет пиковый ток, то конденсатор определяет пиковое напряжение. С одной стороны, следует учитывать переходную характеристику нагрузки и пиковое напряжение, с другой стороны, максимальное последовательное эквивалентное сопротивление ESR должно соответствовать следующей формуле: $$ R_{ESR} < \frac{V_{OUTripple}}{I_{ripple}} $$ Переходная характеристика нагрузки относится к требованию, чтобы конденсатор сохранял энергию, достаточную для поддержания выходного напряжения в допустимом диапазоне в течение как минимум двух периодов переключения DCDC. Мы считаем, что когда ток колеблется на 50%, требование заключается в том, что напряжение колеблется в пределах 5%. Таким образом, параметры выбираются следующим образом: $$ \Delta I_{OUT}=0,5 \times I_{OUT}=1.75A，\Delta V_{OUT}=0.05 \times V_{OUT}=0.06V $$ Тогда формула для выбора ёмкости переходного процесса выглядит следующим образом: $$ C_{O1} = \frac{2 \times \Delta I_{OUT}}{{f_{sw} \times \Delta V_{OUT}}}\approx102.3\mu F $$ Этот проект требует, чтобы пульсация напряжения 1,2 В находилась в пределах 10 мВ, поэтому формула для выбора пикового напряжения конденсатора выглядит следующим образом: $$ C_{O2} = \frac{1}{8 \times f_{sw}} \times \frac{1}{R_{ESR}}=\frac{1}{8 \times f_{sw}} \times \frac{1}{\frac{V_{OUTripple}}{I_{ripple}}}\approx19.2\mu F $$ Итак, $$ C_O = C_{O1} + C_{O2} \approx121.5\mu F $$ В этом проекте используются два керамических конденсатора ёмкостью 47 мкФ, один ёмкостью 22 мкФ, один 10 мкФ и один 0,1 мкФ, общая ёмкость которых составляет 126,1 мкФ, что удовлетворяет требованиям. Кроме того, использование нескольких конденсаторов параллельно помогает уменьшить ESR и увеличить количество полюсов фильтра в цепи.