Особенности схемотехники и трассировки печатных плат для STM32WB55

20 ноября 2019

Александр Шауэрман (Алтайский край)

Разработка новых устройств на базе беспроводного микроконтроллера STM32WB от STMicroelectronics может быть сделана в короткий срок, если выполнять некоторые важные правила и воспользоваться готовыми конструктивными решениями и рекомендациями инженеров ST.

STM32WB [1] – это, прежде всего, микроконтроллер хорошо зарекомендовавшего себя семейства STM32, поэтому подходы к проектированию устройств на его базе немногим отличаются от классических. Однако есть нюансы, способные, на первый взгляд, оттолкнуть начинающего инженера. В первую очередь это касается радиочастотного тракта диапазона СВЧ.

По сравнению с аппаратурой, работающей на низких частотах, схемы СВЧ более трудоемки в разработке. Длина волны сигнала частотой 2,4 ГГц (типично для IEEE 802.15.4 и Bluetooth) в стеклотекстолите составит приблизительно 60 мм, а это значит, что проводник длиною 15 мм, если не будут приняты специальные меры, работает как четвертьволновый излучатель. В диапазоне СВЧ за счет краевых полей происходит паразитный перенос сигнала на близко расположенные проводники и элементы схемы, поэтому могут возникнуть паразитные обратные связи.

В этом диапазоне любой проводник должен рассматриваться как волновод, а следовательно, как функциональный элемент схемы. Участки линий передачи должны быть специальным образом экранированы и согласованы. При таком подходе расчет СВЧ-схемы и проектирование печатной платы становится сложной задачей, требующей от разработчика высокой квалификации и глубоких знаний теории поля и теории распространения волн. Но, как было отмечено ранее, STM32WB – это, прежде всего, микроконтроллер, предназначенный для массового применения, а поэтому время и стоимость проектирования должны быть минимальными.

Компания STMicroelectronics предлагает инженерный подход к этой проблеме, заключающийся в использовании готовых и проверенных конструктивных решений, начиная от схемотехники и выбора компонентов [2] и заканчивая топологией критически важных участков печатных плат [3]. Следуя рекомендациям инженеров STMicroelectronics, можно в кратчайшие сроки получить прототип изделия с заданными характеристиками.

Схемотехника включения STM32WB55

Схема включения STM32WB во многом обусловлена функционалом конечного изделия. Архитектура и аппаратная реализация стандартных интерфейсов (SPI, USB, USART, I²C, GPIO, JTAG и прочих) типична для семейства STM32 и поэтому выходит за рамки этой статьи. Акцентируем внимание на схемотехнике блоков, уникальных для STM32WB: рассмотрим подсистему питания, подсистему синхронизации и особенности СВЧ-тракта.

В руководствах AN5290 [2] и AN5165 [3] приведены принципиальные схемы включения STM32WB, в текущей статье мы рассмотрим лишь ключевые моменты.

Подсистема питания

Для питания ядра процессора и встроенной периферии требуется достаточно малое напряжение порядка 1…1,5 В, но внешнее питание может изменяться в широких пределах – 1,71…3,6 В. В классических сериях микроконтроллеров для преобразования напряжения питания используются встроенные LDO-регуляторы (Low DropОut). Такие преобразователи обеспечивают стабилизацию напряжения, даже если разница между входным и выходным напряжениями минимальна. Однако весь излишек напряжения падает на управляющем элементе регулятора и в итоге рассеивается в виде тепла. С увеличением разницы входного и выходного напряжений КПД LDO-преобразователя очевидным образом падает. Для увеличения общего КПД в микроконтроллерах STM32WB питание на LDO поступает через встроенный понижающий импульсный преобразователь SMPS (Switch Mode Power Supply) [4]. Если напряжение питания меньше программно заданного уровня (по умолчанию 2 В), то SMPS переходит в режим Bypass и без изменений пропускает напряжение со входа на LDO.

Для работы SMPS требуется индуктивность и два конденсатора. Схема включения показана на рисунке 1.

Рис. 1. Конфигурация питания с модулем SMPS

Частота преобразования устанавливается программно и может принимать два значения: 4 или 8 МГц. Наилучшая производительность преобразователя достигается при частоте 4 МГц, но в этом случае придется использовать катушку большей индуктивности (10 мкГн). Если же место на плате ограничено, то допустимо использовать индуктивность 2 мкГн на частоте 8 МГц. Для конденсатора С2 рекомендуется емкость 4,7 мкФ, конденсатор С1 предназначен для развязки питания SMPS, его емкость также должна составлять 4,7 мкФ. Если вопросы энергопотребления не стоят остро или же используется изначально малое напряжение питания, то можно исключить SMPS и подать питание непосредственно на LDO (рисунок 2).

Рис. 2. Конфигурация питания без модуля SMPS

Помимо входа SMPS, все линии VDD должны быть подключены к источнику питания с обязательной развязкой емкостью 0,1 мкФ. Дополнительно рекомендуется установить один керамический или танталовый конденсатор емкостью не менее 4,7 мкФ (лучше – 10 мкФ). В изделиях, где требуются точная работа АЦП, к линии VDDA нужно подключить две развязывающие емкости (0,01 мкФ и 1 мкФ), а для дополнительной фильтрации цифрового шума питание нужно подать через ферритовый фильтр. Если АЦП не используется, то можно обойтись одним конденсатором 0,1 мкФ. Ввод питания блока радиопередатчика VDDRF подключается к общему источнику и должен быть развязан емкостями 0,1 мкФ и 100 пФ. Причем последний конденсатор должен быть расположен как можно ближе к ножке VDDRF.

Подсистема синхронизации

В STM32WB используются два внешних источника тактовых импульсов: HSE (High-Speed External) 32 МГц и LSE (Low-Speed External) 32,768 кГц. Строго говоря, наличие LSE является опциональным: встроенные низкочастотные генераторы LSI1 и LSI2 способны заменить его. Но в приложениях, где требуется высокая точность часов реального времени, или RTC (Real Time Clock), рекомендуется использовать внешний кварцевый резонатор. Кроме того, LSE требуется для функционирования MAC-уровня стандарта IEEE 802.15.4.

Микроконтроллер использует HSE в качестве базы для генерации опорных частот приемопередатчика RF. Поэтому для нормальной работы RF внешний резонатор должен обладать высокой точностью и стабильностью. Любое отклонение частоты вызовет рассинхронизацию тракта, увеличит вероятность ошибок при передаче данных или даже сделает невозможной саму радиосвязь. Для приложений Bluetooth точность резонатора должна быть не хуже ±20 ppm, для IEEE 802.15.4 – не хуже ±40 ppm. Однако и этого может быть недостаточно. Дело в том, что итоговая частота генератора в силу различных факторов, таких как технология производства, паразитные емкости печатной платы, может отличаться от эталонной. Точная подстройка частоты генератора возможна путем регулировки емкостей нагрузочных конденсаторов (таблица 1). В STM32WB нагрузочные конденсаторы встроены в чип, их значение может изменяться программно в процессе калибровки при производстве конечной продукции в пределах 12…16 пФ. Алгоритм калибровки описан в AN5042 [5].

Таблица 1. Параметры кварцевого резонатора HSE

Хорошие результаты показывают кварцевые резонаторы NX2016SA и NX1612SA производства компании NDK [1, 5].

RF-тракт

Для уменьшения числа внешних компонентов в кристалл STM32WB интегрирован балун (симметрирующее устройство). В результате для ввода и вывода сигнала СВЧ в микросхеме используется только одна ножка. Базовая схема показана на рисунке 3.

Рис. 3. Согласования тракта RF

П-образный фильтр на дискретных компонентах L1, C1, C2 согласует импеданс вывода микросхемы со входом керамического фильтра Z1 и служит для подавления высших гармоник сигнала, фильтр Z1 устраняет внеполосные помехи. Для согласования антенны используется еще один П-образный фильтр на L2, C3, C4. Дополнительно сократить число компонентов и повысить повторяемость схемы можно, заменив первую цепь согласования и Z1 единым компонентом IPD (Internal Passive Device). Компания STMicroelectronics специально для серии STM32WB разработала компонент IPD MLPF-WB55-01E3, этот чип со стороны входа обеспечивает почти идеальное согласование с выводом STM32WB, а на выходе дает универсальные 50 Ом для антенны [6].

Рекомендации по выбору конденсаторов

В цепях RF для согласования лучше всего использовать многослойные керамические конденсаторы типоразмера SMD 0402. Для развязки в цепях RF конденсатор должен быть выбран таким образом, чтобы его собственная частота резонанса совпадала или была бы немного меньше частоты сигнала, который требуется блокировать. Для конденсаторов в цепях импульсного преобразователя особо важным является параметр «эквивалентное последовательное сопротивление», или ESR (Equivalent Series Resistance) – следует использовать конденсаторы с как можно меньшим значением ESR. Хорошо зарекомендовали себя конденсаторы с диэлектриком типа X7R или X5R.

Особенности проектирования печатной платы для STM32WB

Трассировка печатных плат на частотах СВЧ должна быть тщательно проработана. Рассмотрим основные аспекты проектирования PCB для STM32WB. Начнем с согласования импеданса. Известно, что для уменьшения отражения сигнала необходимо согласовать импеданс источника, приемника и линии передачи. Импеданс линии передачи зависит от ее геометрии и расположения опорной поверхности. Под опорной поверхностью мы будем понимать проводящий слой с нулевым потенциалом, геометрические размеры которого значительно превосходят размеры проводящей линии. Перечислим основные факторы, влияющие на волновой импеданс линии передачи (рисунок 4):

• тип линии: микрополосковая, полосковая, копланарная;
• ширина линии W;
• расстояние до опорного слоя H (толщина диэлектрика);
• параметры материала диэлектрика (диэлектрическая постоянная ε_r);
• толщина проводящего слоя, на которую в большей степени влияет толщина проводника T1, в меньшей степени – толщина меди опорного слоя T2;
• толщина паяльной маски.

Рис. 4. Микрополосковая и копланарная линии

Линии передачи на печатной плате могут располагаться на внешних слоях (микрополосковые, копланарные) или быть спрятаны в слое диэлектрика (полосковые). Копланарная линия передачи состоит из центральной сигнальной линии толщиной W и двух опорных поверхностей, расположенных в том же слое и отделенных от центральной линии зазорами шириной G. Центральная линия и опорные поверхности находятся на диэлектрической подложке толщиной H. В микрополосковой линии на сигнальном слое отсутствуют опорные поверхности. При прочих равных условиях для получения номинального импеданса копланарная линия дает меньшее значение ширины проводника, а, следовательно, меньшая площадь на плате будет задействована под трассировку. В демонстрационных и отладочных платах STMicroelectronics для ВЧ- и СВЧ-сигнала, как правило, применяют копланарные линии.

Таким образом, импеданс линии передачи зависит от ее геометрии и выбранного стека слоев печатной платы. В зависимости от того, что в приоритете – стек или геометрия, – можно выделить два подхода к проектированию. Первый подход заключается в том, что разработчик платы задает удобные ему геометрические размеры проводников, а потом подбирает под них стек слоев и технологию производства. Однако далеко не всегда удается подобрать требуемый стек в рамках технологического ограничения производителя PCB. Может сложиться ситуация, при которой даже если производитель и способен произвести плату на данном стеке, стоимость ее будет значительно выше типовой, особенно если речь идет о мелкой серии или прототипе. Другой подход заключается в выборе типового стека у производителя. У каждого производителя печатных плат есть рекомендуемые решения, применение которых обеспечивает минимальную стоимость производства. Но в этом случае придется подобрать геометрию линий передачи под имеющиеся параметры, а это не всегда устраивает разработчика. При обоих подходах от разработчика требуется плотное взаимодействие с производителем.

Выбор подложки

Инженеры STMicroelectronics предлагают примеры решения на двух- и четырехслойном стеке – это, соответственно, референсный проект MB1487 [7] и отладочная плата P-NUCLEO-WB55 [8].

При использовании двухслойного стека (рисунок 5) рекомендуется расположить все сигнальные трассы СВЧ на верхнем слое, а нижний слой использовать в качестве опорного (сеть GND). Следует помнить, что опорный слой – это неотъемлемая часть линии передачи, поэтому заземляющая поверхность под всеми зонами RF должна быть непрерывна. В противном случае возникнут неоднородности и отражения сигнала, в результате общая производительность радиотракта снизится. Понятно, что двухслойный стек обеспечивает более низкую стоимость изделия и в целом способен показать производительность на уровне многослойных стеков, но его применение требует гораздо большего внимания к трассировке и размещению компонентов.

Рис. 5. Двухслойная печатная плата

Если количество компонентов на плате достаточно велико, то сложно выполнить соединения и при этом обеспечить целостность опорной поверхности, в этом случае оправдан переход на четырехслойный стек (рисунок 6).

Рис. 6. Четырехслойная печатная плата

Слой TOP предназначен для размещения основных компонентов и линий связи между ними. Все сигналы СВЧ желательно расположить на нем. На слое INNER1 следует расположить опорную поверхность под зоной СВЧ. Слой INNER2 предназначен для цепей питания и низкочастотных трасс. На слое BOTTOM располагаются дополнительные компоненты и низкочастотные трассы.

В идеальном варианте для опорной поверхности следует выделить целый слой, если же это не удается сделать, то поверхность должна быть как можно большего размера, а сигнальные трассы на этом слое нужно располагать как можно дальше от зоны СВЧ. Все неиспользуемые поверхности на верхнем и нижнем слоях рекомендуется залить полигоном и с помощью множества переходных отверстий (VIA) обеспечить надежное электрическое соединение с опорной поверхностью (цепь GND).

Рекомендации по трассировке двухслойной платы

Три подсистемы заслуживают особого внимания при трассировке платы – это подсистема радиотракта, подсистема SMPS и подсистема тактирования.

Рассмотрим особенности радиотракта. Для получения максимальной производительности приемопередатчика (номинальной мощности передачи, оптимальной чувствительности приема, достаточного подавления гармоник и внеполосных помех) вывод RF1 и керамический фильтр (рисунок 3) должны быть согласованы. На рисунке 7 показан пример трассировки области СВЧ.

Рис. 7. Образец трассировки области СВЧ для STM32WB в корпусе UFQFPN48 (а) и VFQFPN68 (б)

На плате перед керамическим фильтром FLT1 стоит П-образный LC-фильтр (С3-L1-C4). Конденсатор С3 и индуктивность L4 преобразуют импеданс вывода RF1 в 50 Ом. Конденсаторы С4 и FLT1 подавляют гармоники несущей частоты передатчика.

В примере в качестве FLT1 использован LFL212G45TC1A007. Структура этого фильтра не идеально симметрична, свойства меняются с направлением монтажа, поэтому важно соблюдать направление, указанное на печатной плате (вход фильтра обозначен меткой).

Рекомендуется размещать согласующую цепь как можно ближе к выходу RF1, а между компонентами избегать длинных путей.

В общем случае дорожка между выходом FLT1 и антенной (или разъемом для подключения внешней антенны) может иметь переменную длину в зависимости от компоновки платы, однако ее импеданс всегда должен быть равен 50 Ом.

Преобразователь SMPS работает на частоте 4 или 8 МГц. Конечно, это не СВЧ, однако внешние цепи также заслуживают внимания. На рисунке 8 показан образец трассировки этой зоны. Все развязывающие конденсаторы (C11, C12, C13) расположены как можно ближе к соответствующим контактам STM32WB. Для уменьшения паразитной индуктивности общий провод конденсаторов должен быть соединен непосредственно с полигоном GND без термобарьера, а вблизи точки соединения следует предусмотреть межслойный переход (VIA) для кратчайшего соединения с опорной заземляющей поверхностью.

Рис. 8. Образец трассировки области SMPS для STM32WB в корпусе UFQFPN48 (а) и VFQFPN68 (б)

Стабильности работы генератора LSE легко достигнуть, разместив кристалл резонатора (X2) и нагрузочные емкости (C14, C15) как можно ближе к выводам STM32WB, как это показано на рисунке 9.

Рис. 9. Образец трассировки области LSE для STM32WB в корпусе UFQFPN48 (а) и VFQFPN68 (б)

Рекомендации по трассировке четырехслойной платы

В качестве примера четырехслойной платы можно рассмотреть P-NUCLEO-WB55 [8]. Gerber-файлы и проект целиком доступны для скачивания на официальном сайте STMicroelectronics. Все рекомендации по трассировке критических зон на двухслойной плате актуальны и для четырехслойной. Коротко рассмотрим примеры топологии критически важных участков.

На рисунке 10 показан образец трассировки зоны СВЧ. На компонентах C1, L5, C2 выполнена П-образная цепь согласования. Хотя корпус и посадочное место керамического фильтра FLT1 отличаются от фильтра, изображенного на рисунке 7, точно так же при монтаже следует соблюдать направление. Все компоненты согласования следует расположить как можно ближе к выводу RF1 микроконтроллера.

Рис. 10. Образец трассировки области СВЧ

На рисунке 11 показан образец трассировки зоны SMPS. Развязывающие конденсаторы C23, C34 и С29 размещены как можно ближе к выводам STM32WB, а их вторые выводы соединены с поверхностью GND без термических барьеров.

Рис. 11. Образец трассировки области SMPS

На рисунке 12 показана зона генератора LSE. Нагрузочные конденсаторы и сам кристалл расположены в непосредственной близости к микроконтроллеру.

Рис. 12. Образец трассировки области LSE

В проекте P-NUCLEO-WB55 все критически важные зоны, включая сам микроконтроллер, спрятаны под экраном. Однако это сделано лишь для соответствия европейским нормативам. В общем случае, согласно разъяснениям производителя, экранирование микросхемы STM32WB55 не является обязательным.

Особенности применения IPD

В разделе «Схемотехника включения STM32WB55» было показано, как использование IPD (Integrated Passive Device) позволяет сократить количество внешних компонентов. Задача IPD – заменить согласующий П-образный LC-фильтр нижних частот и керамический полосовой фильтр одним компонентом. На рисунке 13 показана схема применения IPD (цепь согласования антенны не показана).

Рис. 13. Функциональная схема согласования радиотракта STM32WB с помощью IPD

Компонент MLPF-WB55-01E3 специально разработан для STM32WB в QFN-корпусе, его входной импеданс согласован с выводом микроконтроллера.

На рисунке 14 показана зависимость коэффициента передачи от частоты. В рабочем диапазоне частот (рисунок 15) типичное значение затухания (вносимые потери) не хуже -0,9 дБ, в то время как подавление высших гармоник сигнала (со второй по пятую) составляет 40 дБ и более.

Рис. 14. Коэффициент передачи IPD в диапазоне частот

Рис. 15. Коэффициент передачи в рабочем диапазоне

Фильтр MLPF-WB55-01E3 выполнен в малогабаритном LGA-корпусе размерами 1,6х1,0 мм, благодаря чему занимает мало места на плате (рисунок 16).

Рис. 16. Топология печатной платы с дискретными компонентами (а) и с IPD (б)

Обратим внимание, что при использовании IPD длина дорожки между выходом IPD и антенной может быть дополнительно сокращена, что уменьшит размеры печатной платы и увеличит производительность тракта за счет снижения потерь.

Дополнительным преимуществом использования IPD по сравнению с фильтрами на дискретных компонентах является высокая повторяемость параметров при серийном производстве.

Еще одним преимуществом IPD является стабильность производительности при объемном производстве из-за более низкого разброса параметров по сравнению с дискретными компонентами.

PCB-антенна

Для снижения стоимости изделия на базе микроконтроллеров STM32WB компания STMicroelectronics рекомендует использовать PCB‑антенну. PCB‑антенна выполняется непосредственно на плате в виде печатных проводников. Существует множество вариаций таких антенн, начиная с простейшего четвертьволнового диполя и заканчивая фрактальными антеннами со сложным геометрическим рисунком. В руководстве AN5129 [9] STMicroelectronics предлагает разумный компромисс в виде меандровой полосы. Такая антенна обладает хорошими характеристиками при относительной простоте повторения (рисунок 17).

Рис. 17. Топология PCB-антенны

На рисунке 18 показан поперечный срез подложки антенны в области печатных проводников, а в таблице 2 приведены соответствующие размеры.

Таблица 2. Спецификация основания антенны

Рис. 18. Поперечный срез основания антенны

На центральной частоте рабочего диапазона приемопередатчика STM32WB 2,44175 ГГц такая антенна обладает следующими характеристиками:

• входной импеданс – 50 Ом;
• коэффициент направленного действия – 2,21 дБ;
• коэффициент усиления – 1,95 дБ;
• максимальная интенсивность излучения – 0,125 Вт/стерадиан.

На рисунке 19 показана трехмерная модель диаграммы направленности.

Рис. 19. Объемная диаграмма направленности PCB-антенны

Характеристики PCB-антенны очень чувствительны к геометрии, и для достижения наилучшего результата рисунок должен быть перенесен на плату с максимальной точностью. Если антенна выполнена в точности по образцу, то номинальный входной импеданс составит 50 Ом, но из-за конструктивных особенностей конечного изделия все может быть не так идеально. В реальном устройстве габариты платы продиктованы размером корпуса, из-за чего будет уменьшено или увеличено свободное пространство вблизи антенны.

Используемый на плате стек слоев в первую очередь ориентирован на согласование линий передачи, а следовательно, слой подложки под антенной может быть толще или тоньше эталонного. Другие компоненты устройства могут быть расположены слишком близко к антенне, что особенно существенно, если они металлические или содержат металл. На плату может быть нанесено диэлектрическое защитное покрытие. Все эти факторы окажут влияние на импеданс. Для компенсации этих эффектов можно использовать П-фильтр. Правильно подобранные параметры LC обеспечат оптимальный импеданс 50 Ом на рабочих частотах. Даже если условия близки к идеальным, все же стоит предусмотреть на плате посадочное место для дискретных LC. Если согласование не понадобится, то конденсаторы можно не впаивать, а проходную индуктивность заменить емкостью 100 пФ или резистором 0 Ом.

Одна из основных причин использования PCB-антенны – это снижение себестоимости изделия. Поскольку такая антенна выполняется непосредственно на плате в виде печатных проводников, ее стоимость можно считать нулевой. Однако это справедливо только если не пришлось специально для размещения антенны увеличить площадь платы. В противном случае увеличение стоимости платы должно быть учтено в расчете экономии средств. Но, как правило, конечная стоимость изделия с PCB-антенной будет ниже, чем с керамической.

Компания STMicroelectronics охотно демонстрирует возможности такой антенны: в отладочных и демонстрационных платах, например, в P-NUCLEO-WB55, в качестве основной используется PCB-антенна рассмотренной топологии [8].

Заключение

Высокая степень интеграции микроконтроллеров серии STM32WB позволяет значительно снизить число внешних компонентов, благодаря этому разработка новых устройств на базе STM32WB может быть выполнена в короткий срок. Однако для достижения наилучших показателей радиотракта и производительности системы в целом к некоторым аспектам проектирования аппаратного обеспечения следует подойти особенно серьезно:

• к выбору внешних компонентов цепей СВЧ и их согласованию;
• к выбору технологии изготовления печатной платы – к числу слоев и материалу подложки;
• к правильному расположению компонентов СВЧ и трассировке, грамотному выбору опорной поверхности, типа и параметров линии передачи;
• к выбору только рекомендованных резонаторов, поскольку ошибка в выборе кварцевого резонатора HSE может привести к нестабильности радиосвязи и ошибкам при передаче данных;
• к грамотному расположению и трассировке компонентов SMPS и LSE.

На сайте STMicroelectronics можно найти дополнительные статьи и руководства по применению STM32WB, а также примеры готовых проектов и приложений.

Литература

1. Datasheet – production data
2. Minimal BOM for STM32WB Series microcontrollers. STM Application Note AN5290
3. Development of RF hardware using STM32WB microcontrollers. STM Application Note AN5165
4. Usage of SMPS on STM32WB Series microcontrollers. STM Application Note AN5246
5. HSE trimming for RF applications using the STM32WB Series. STM Application Note AN5042
6. MLPF-WB55-01E3. Datasheet – production data
7. MB1487 – STM32WB55CG Reference Board
8. P-NUCLEO-WB55
9. Low cost PCB antenna for 2.4 GHz radio: meander design for STM32WB Series. STM Application Note AN5129