Examen de la conception du PCB : carte LCD ronde ESP32-S3

Pour notre prochain article, j'ai un joli et audacieux PCB soumis par l'un de nos lecteurs, [Vas]. Il s'agit d'une carte ESP32-S3 qui dispose également d'un écran TFT rond intégré, très similaire à celui que nous avons utilisé sur le badge Vectorscope. Le badge est autonome – il possède un ESP32, un écran, un connecteur de programmation, deux ports QWIIC différents que vous pourriez sûrement utiliser comme GPIO – pourquoi ne pas aimer ?

Il s'agit d'une planche à deux couches et je dois admettre que j'apprécie vraiment ces designs. Réussir à mettre beaucoup de choses en deux couches est plutôt cool dans mon livre, et je m'amuse beaucoup à le faire chaque fois que j'en ai l'occasion. Il n'y a rien de mal à utiliser plus de couches que nécessaire. En fait, si vous êtes préoccupé par le bruit émis/reçu ou si vous disposez d'interfaces à haut débit, quatre couches sont la voie à suivre. Mais fabriquer des planches complexes avec deux couches est un défi intéressant, et cela tend à rendre ces planches moins chères à fabriquer, ce qui constitue un très bon bonus.

Améliorons-le et soutenons [Vas]la conception. D'après ce que je peux voir en regardant ce tableau, nous pouvons vous aider [Vas] beaucoup avec la facilité d'assemblage, peut-être même aider à économiser une grosse somme d'argent s'ils optent pour un PCBA tiers au lieu de s'asseoir avec un pochoir – ce que vous pourriez faire avec cette carte assez facilement, puisque tous les composants qu'elle contient, à l'exception de l'affichage, sont ceux que vous vous attendez à ce que JLCPCB stocke.

Ouvrez-le

La carte est conçue dans Eagle, mais j'ai été surpris de voir à quel point elle a été importée dans KiCad en utilisant rien d'autre que la boîte de dialogue intégrée « Fichier => Importer un projet non-KiCad ». En tant que réfugié d'Eagle dans le passé, cela me réchauffe le cœur, car je sais qu'Eagle n'a jamais pu atteindre ce genre de particularité à l'époque.

Après l'avoir importé, ouvrez le visualiseur de carte et appuyez sur B pour remplir les zones GND – la carte peut paraître un peu éraflée, mais je serais à l'aise d'en commander une pour moi telle quelle ! Le schéma a également été assez bien importé. Certaines étiquettes n'ont pas été correctement importées, mais je ne vois rien qui soit cassé. Tous les noms d'empreinte sont également présents, ce qui est utile pour revoir les choix de composants.

Encore une fois, le tableau est impressionnant. Je l'aime beaucoup – il inclut des fonctionnalités intéressantes, comme des diodes ESD sur les boutons RST et BOOT pour l'ESP, la séparation du USB VBUS et GND et un connecteur d'alimentation JST-SH pour toutes les applications portables. Il comporte également certains choix de composants dont nous devrions discuter.

Choix de composants

Sur la gauche, vous pouvez voir les deux connecteurs QWIIC qui fonctionnent sûrement comme des extensions GPIO à la rigueur, et sur la droite, il y a un connecteur JST-PH qui est alimenté. À côté des connecteurs QWIIC, vous remarquerez de minuscules composants – oui, ce sont des résistances 0201, et il y en a un bon nombre. Le problème avec ceux-ci est qu'ils sont difficiles à assembler par rapport à tout le reste de la carte, ils peuvent augmenter considérablement les coûts si vous utilisez du PCBA. Et ils ne sont même pas strictement nécessaires là où ils se trouvent.

Voici mon point de vue sur les résistances. Si vous craignez que la résistance interfère avec l'insertion de la fiche JST-SH, ne vous inquiétez pas – cela semble être une empreinte pour une prise SMD JST-SH verticale, je ne vois pas comment il pourrait en être autrement, compte tenu du 0201. placement. Maintenant, ce n'est pas le seul endroit où se trouvent les résistances 0201 – jetons un coup d'œil à la fenêtre d'affectation des empreintes pour un résumé.

Il y a des choses qui ressortent immédiatement. Pour toutes les résistances 0201, j'ai jeté un œil à la carte, et je ne comprends pas pourquoi elles ne pourraient pas être des 0402 – surtout compte tenu de la petite taille des empreintes 0402 de Kicad par rapport aux empreintes 0402 d'Eagle. De plus, j'ai remplacé tous les condensateurs de 1 uF et inférieurs par 0402, et tous les condensateurs supérieurs à 0603. J'ai laissé certaines résistances 0603 ou supérieures, à des endroits où il semble qu'elles pourraient être remplacées par une perle de ferrite en pratique. , ce qui, je pense, était l'intention du concepteur avec les broches d'alimentation/données microUSB et l'entrée 3,3 V de l'ESP.

Dernière chose que je noterai : je ne comprends pas pourquoi les pullups du bus I2C sont différents, mais je fais confiance au créateur de la carte. Cependant, 1 kΩ semble une valeur beaucoup trop intense pour I2C, d'après ce que j'ai vu, d'autant plus que de nombreux capteurs QWIIC ont également des pullups. Ainsi, vous pouvez facilement remplacer l'une des paires de pullup, ou les unir toutes les deux à quelque chose comme 1,8 kΩ, la valeur de pullup I2C utilisée par Raspberry Pi avec beaucoup de succès, ou 3,3 kΩ, la valeur QWIIC par défaut.

Placement des composants

Lorsque je retourne ce tableau dans la visionneuse 3D (raccourci : F), il y a une chose qui me vient instantanément à l'esprit, c'est que la face inférieure pourrait être complètement propre ! En fait, si je comprends bien, il est préférable que ce soit le cas – sinon, il y aurait des pièces sous l'écran TFT, ce qui, à mon avis, serait un point de défaillance mécanique. Et il y a effectivement des pièces sous l'écran – en trois points, donc à moins que vous ne fassiez une entretoise personnalisée ou que vous n'utilisiez une bonne quantité de ruban mousse, ce sera un problème mécanique. Voyons si nous pouvons résoudre ce problème.

Je suis surpris de voir que les empreintes d'Eagle sont sensiblement plus grandes que celles de leurs KiCad, en particulier celles des 0402. Sur une planche aussi exiguë, cela fait vraiment une différence, comme je le montrerai plus tard. Abordons d'abord le coin supérieur gauche avec le filtrage de puissance ESP. Après avoir remplacé les empreintes et les avoir empilées plus près, il devient possible de déplacer le condensateur RST et le pullup, libérant ainsi l'un des trois emplacements à l'arrière.

Ensuite, un deuxième endroit au dos, près du connecteur microUSB. Tout d'abord, il y a deux résistances de 0 Ω sur la paire USB à l'arrière – avec un peu de trace de puissance poussant sur la couche supérieure, celle-ci est mobile vers l'avant, avec les diodes ESD à la terre également sur la couche arrière. Les trois résistances que vous pouvez voir à côté d'elles sont cependant une histoire un peu différente, car elles appartiennent au régulateur à découpage.

Le principal problème avec la section régulateur à découpage est que les résistances de rétroaction se trouvent de l'autre côté. Si vous réalisez une conception à 2 couches avec un mélangeur, et que cette conception en comporte deux, il est important de fournir au mélangeur un bon plan de masse – quelque chose qui, j'ai tendance à dire, semble manquer ici. Cependant, il n'y a pas beaucoup d'espace – ou, il n'y en avait pas, jusqu'à ce que je remplace les empreintes par celles de KiCad, et beaucoup d'espace s'est libéré sur la droite.

Avec cet espace, nous pouvons déjà faire de grandes choses – mais nous pouvons en libérer encore plus ! Voici quelque chose que vous remarquerez peut-être : il n'y a aucune raison apparente pour laquelle GPIO48 et GPIO45 doivent être utilisés, j'ai donc choisi de les remapper sur des broches différentes. Cela nous permet de supprimer toute la rangée inférieure des plots ESP, puisqu'il n'y a aucune raison de les souder – c'est une bonne technique si vous souhaitez mettre de nombreuses traces sur deux couches. Cela me permet de le remplacer par un rectangle sérigraphié. Cela pourrait appartenir au calque Fab, mais il est plus facile pour moi de masquer F.Fab et B.Fab pour le moment afin de réduire l'encombrement visuel, et j'ai besoin de voir cela – il peut être facilement déplacé plus tard.

Avec l'espace libre, nous pouvons déplacer les traces de puissance vers le haut, ce qui nous permet de déplacer l'inductance de commutation et la puce de commutation vers la droite, en déplaçant les résistances de rétroaction vers une couche supérieure et en nettoyant le plan de masse à l'arrière. Désormais, il ne reste plus que le pilote LED pour le rétroéclairage de l’écran – juste une puce et un inducteur.

C'est quelque chose que je suis enclin à laisser au lecteur comme exercice – j'en ai déjà montré pas mal de choses. Je m'interroge également sur les caractéristiques réelles de l'écran. A-t-il réellement besoin d'un pilote élévateur pour la LED, ou est-il suffisant d'ajouter une résistance série et de l'alimenter à partir du rail d'alimentation d'entrée ? Si l'écran dispose d'un rétroéclairage LED en série unique, le pilote ne devrait pas être nécessaire, et il n'est pas rare de piloter un tel rétroéclairage à l'aide d'un transistor NPN et d'un GPIO.

Et une dernière remarque à propos de quelque chose qui pourrait mordre : le port MicroUSB porte un marquage « PCB Edge », mais ce n'est pas réellement le cas. Cela signifie que vous ne pouvez pas utiliser de connecteurs MicroUSB dotés de « lèvres », vous devez donc faire attention à ne pas en acheter accidentellement certains – ils sont populaires. C'est également quelque chose qui ne poserait pas de problème avec l'USB-C, et fabriquer des cartes avec microUSB en 2024 est un peu dépassé – mais Git dit que cette carte a été conçue il y a deux ans, je vais donc lui donner un laissez-passer.

Moins cher, plus plat, plus beau que jamais

Dans l’ensemble, cette révision des PCB devrait contribuer à réduire le coût de production de la carte. Nous avons remplacé les pièces 0201 par des pièces plus grandes et moins chères, unifié les valeurs de nomenclature et déplacé les pièces de la couche inférieure vers la couche supérieure – du moins la plupart d'entre elles, mais cela devrait déjà nous permettre d'éviter les frais d'assemblage double face. Nettoyer la conception du régulateur à découpage devrait beaucoup aider à réduire le bruit électrique ainsi qu'à améliorer les performances.

je remercie [Vas] pour avoir partagé ce design avec nous, et j'espère que ce design a déjà eu sa chance d'exister en tant que PCB du monde réel – les écrans ronds sont agréables à jouer, et je peux imaginer que ce soit un badge assez amusant à porter, surtout associé avec une batterie adaptée !