Выбрать подходящий разъём – это просто или сложно? В любом случае это важно.

Как быть с передачей дифференциальных пар на другую плату?

Сколько нужно контактов земли?

Стоит ли применять дифференциальные (common mode) фильтры и защиту от ESD?

Какой разъём лучше выбрать для питания?

В данной части рассмотрим эти и другие вопросы. Подберём разъёмы, добавим фильтры и защиты и завершим разработку схемы нашей платы.

• Часть 1. Обзор решений, создаём своё

• Часть 2. Система питания

❯ Разъём для питания

Прежде всего вспоминаются USB, пару штырьков PLS или разъём с ключом, вроде cwf-2. Для питания безопаснее разъём с ключом, который можно вставить только одним способом. USB разъём использовать не будем, так как придётся плату подключать отдельным кабелем. Это будет иметь смысл, если поставить на плату микроконтроллер и мост USB – UART.

Напряжение и ток у нас небольшие (5,5 В и < 500 мА), поэтому подойдёт любой из перечисленных разъёмов.

Мне нравится вариант питания через штырьки PLS. Удобно подключать к Малине, SX100, платам с STM32 и т. д. Получается гибкое решение.

При экспериментах запросто можно ошибиться. Поэтому для надёжности добавим схему защиты от переполюсовки.

❯ Защита от неверной полярности

 Схема защиты прекрасно описана здесь.

Расчёты

Подойдёт, например, транзистор AO3401A.

При минимальных 4,5 В на входе напряжение затвор-исток будет около 3 В, чего достаточно для открытия ключа.

От 5 В потребляется макс ток 385 мА (при 4,5 В).

Rdson 0.054 Ом при VGS = - 4.5 V. На ключе упадёт

0,054 Ом*0,4 А = 21,6 мВ

И выделится примерно 8 мВт, что даст рост температуры всего лишь на 0,8 °С. Добавление меди на выводы сток, исток дополнительно снизит тепловое сопротивление.

Если ток будет 1 А, то упадёт 54 мВ и выделится 54 мВт тепла.

Температура поднимется на 100 °С/Вт*54 мВт = 5,4 °С

Дополнительная нагрузка возможна от экрана на дочерней плате. Вряд ли будет такой большой ток. Проверили с запасом.

Напряжение затвор-исток +-20В, что больше макс. входных 5,5 В. Поэтому стабилитрон ставить не будем.

❯ Пи-фильтр (Сap-FerriteBead-Cap) на питание

Последуем лучшим практикам и добавим Пи-фильтр на +5 В у входного разъёма.

Например, в этой статье про ЭМС есть совет добавлять Пи-фильтры на входы импульсных источников питания.

Ещё примеры можно найти у Фила:

Чтобы правильно выбрать бусину, нужно учесть смещение постоянным током, выбрать целевой диапазон подавления.

Для простых устройств можно просто использовать 30 … 120 Ом бусины. Это позволит в какой-то мере отфильтровать напряжение, поступающее в устройство, например, от шумной USB-линии.

Обычно выбирают бусину на ток в 2 раза больше максимального тока нагрузки, так как бусина при насыщении феррита постоянным током снижает своё сопротивление и фильтрует хуже.

У нас от 5 В потребляется макс. 385 мА (при 4,5 В). Возьмём бусину на ток от 800 мА.

Характеристики разных серий с одинаковым сопротивлением на 100 МГц отличаются (прошу прощения за качество картинок):

Какую серию выбрать? Можно посмотреть примеры.

В ОСЕ 103 в цепях питания стоят как бусины серий AG (общего назначения), так и PG (для силовых линий).

Возьмём BLM18AG121SN1D общего применения и конденсаторы 2,2 мкФ.

Будет работать и без фильтра, но с фильтром лучше.

Несколько источников по бусинам

1.    How to Choose Ferrite Components for EMI Suppression.

2.    Specifying a Ferrite for EMI Suppression.

3.    Бусины для подавления звона в ИИП.

4.    …

❯ Разъём для сигналов MIPI DSI

Обычно дифф. пары в шлейфе разделяются землёй. Это отдаляет и экранирует их друг от друга. Кроме того, нужно обеспечивать хороший возвратный путь тока.

В идеале, при полной симметрии и одинаковой длине p, n проводников в паре, ток в возвратном проводнике должен быть нулевым.

Но обычно это не так. Поэтому несколько дополнительных контактов земли пойдёт на пользу.

Можно посмотреть, как сделано, например, в Малине:

Или на шлейфах экранов смартфонов (в данном случае EXPLAY A351):

На шлейфе экрана китАйфона 6 тоже видно, как полигон земли разделяет дифф. пары:

На разъём кроме дифф. пар MIPI DSI нужно вывести:

1.    Подсветку (LED+, LED-).

2.    Питание экрана +2,8 В.

3.    Питание экрана +1,8 В.

4.    Сброс (Reset) (можно соединять отдельно).

5.    +5 В. На случай, если нужно получить какое-то специфичное питание для конкретной модели экрана.

Пока получается 21 линия.

❯ Подбираем разъём

Варианты:

1.    FFC / FPC разъемы + шлейф.

2.    Мезанинные разъёмы, плата к плате.

3.    Мезанинные разъёмы в сочетании с гибкой платой. Это сложнее, рассматривать не будем.

4.    PLD + PBD, плата к плате.

5.    PLD + витые пары.

6.    Контактные площадки и пайка витых пар.

7.    …

 Плату планируется использовать для экспериментов. Поэтому срок службы разъёмов важен.

У FFC / FPC разъемов малое число циклов стыковки. Например, у этого всего 20 (durability (mating cycles max) – 20). Ток 500 мА на контакт, 50 В между.

У разъёмов серии FH26 всего 10 циклов введения/извлечения шлейфа.

У мезанинных разъёмов AXT524124 50 циклов стыковки (Lifetime characteristics Insertion and removal life 50 times).

Можно применить PLD с шагом 1,27 или 2 мм, как в проекте MIPI DSI Display Shield/HDMI Adapter. Эта плата разведена на 4 слоях. Сигнальные снаружи, слой земли и питания внутри.

Можно соединять платы витой парой в сочетании с PLD разъёмом. Получается гибкое решение.

(Адаптер сигнала MIPI DSI/CSI –> HDMI/адаптер HDMI->MIPI поддерживает несколько разрешений 4K, 2K и 1080p).

Штыревые разъёмы можно расположить как на картинке – со сквозными отверстиями в плате – или лёжа.

Последний вариант избавляет от нежелательных отводов от линий передачи и отражений сигнала.

Если расположить разъёмы лёжа, то можно их даже не устанавливать. К их посадочным местам можно просто припаять витую пару. Вопрос в том, сколько раз выдержит перепайку. Как вариант, сделать пады побольше.

Способ соединения плат парой PLD+PBD хороший. В первой версии платы я применил его:

Получается земля, 5 дифф пар, разделённых землёй, земля. – 16 контактов.

Снизу тоже земля – значит 16+16. 2х16

Ещё нужно LED+, LED- (2 контакта)

+2,8 В х2

+1,8 В х2

+5 В х2

2 земли

Сброс экрана оставить на его плате (не вести через разъём).

Пока 2х20 – подойдёт 40 контактов.

Для удобства взял стандартный шаг 2,54 мм. PBD-40

Между пинами 2,14 мм.

У ответной части 1,9 мм (2,54-0,64). Это ограничивает макс толщину платы.

Толщина платы будет 1,6 мм. Значит между выводом и платой с каждой стороны будет зазор по (2,14 – 1,6)мм/2 = 0,27 мм или (1,9 -1,6)мм/2 = 0,15 мм. Нормально.

Лучше даже сделать весь зазор (0,54 или 0,3 мм) со стороны земли, а со стороны сигналов разъём прижать к плате.

Зазор малый, думаю не критично.

❯ Разъём для сигналов RGB, SPI

Интерфейсы SPI и RGB выведем на гребёнку PLS. Туда же питание +5В.

Для экспериментов такой вариант вполне удобный, гибкий. Плата может подключаться к разным источникам видеосигнала.

Есть вариант вывести эти интерфейсы на на FPC разъём и подключать всё аккуратненьким шлейфом. Но придётся делать переходные платы для конкретного приложения. Либо использовать переходник с FPC на PLD штырьки.

Линии RGB отделим от линий синхронизации (Hsync, Vsync и др.) землёй, как это сделано, например, в подобных экранах:

1 катод, 2 анод, 3 gnd, 4 Vdd, 5-28 ?, 29 gnd, 30-34 ?, 35 NC, 36 gnd, 37 XR, 38 YD, 39 XL, 40 YU.

Дополнительные контакты земли создадут дополнительные пути для возвратных токов, что улучшит целостность сигналов и уменьшит электромагнитные помехи. Всё равно контактов земли лучше сделать несколько.

Например, Фил всегда старается разместить хотя бы один контакт заземления рядом с контактом передачи данных.

Сколько контактов нужно в разъёме?

GND +24 RGB + GND + 4 (DEN, PCLK, Hsync, Vsync) + 5 SPI (CS, DC, MOSI, MISO, SCK) + Shut + Reset + GND + 2 шт 5V= 40 штук.

Берём 40 выводной разъём PLD-40.

❯ Выводы выбора интерфейса. Способ подключения

У SSD2828 есть выводы PS[1:0] для выбора интерфейса (SPI 8/24 бит, 3 или 4 провода).

Варианты подключения:

1.    SMD перемычки.

2.    замыкать площадки каплей припоя.

Такое же видел, например, на плате Weact studio stm32h750vb:

Можно не делать перемычку. Добавить 2 посадочных места под резисторы. Один на +, второй на землю. Как тут (выводы 17, 18):

Сначала я сделал подключение через паянные перемычки (нарисовал посадочные места):

Потом решил, что лучше и красивее будет поставить SMD перемычки 0603. Так и сделаем.)

❯ Дифференциальные (common mode) фильтры и защита от ESD

Излучения порождаются перекосом (неодинаковостью длины и не симметрией) проводников. Часто около поворотов.

Фильтр лучше поставить. Это улучшит сигнал и уменьшит влияние каких-то ошибок разводки и проектирования. Уберёт шумы из сигнала, идущего к экрану, и уменьшит излучение из-за несимметричностей в дифф. паре, что снизит уровень помех и в целом улучшит ЭМС.

В комплексном сопротивлении фильтра есть небольшая резистивная составляющая (сопротивление проводников индуктивности), что немного ослабляет полезный высокоскоростной дифференциальный сигнал, и большая индуктивная составляющая, что сильно ослабляет синфазный шум (common mode noise).

Где и сколько фильтров размещать? На основной плате, на дочерних или на обеих? Поставим их поближе к приёмнику. То есть рядом с разъёмом экрана на переходной плате.

Например, в смартфонах, фильтры ставят около разъёмов экрана/камеры.

Разъём экрана с фильтрами, Alcatel 6043D.

Разъём камеры с фильтрами, Alcatel 6043D.

Разъём экрана с фильтрами, ZTE BLADE III.

Разъём экрана с фильтрами, китАйфон 6(S).

В апноте High-Speed Interface Layout Guidelines так же рекомендуется ставить фильтры и защиту от ESD поближе к разъёму.

Возьмём фильтр ICMEF112P900M с защитой от ESD.

Такой же стоит на CSI-2 камеры, например, в телефоне Explay A350 (Star)

Похожий фильтр ICMT062P900MFR можно найти в схеме телефона ZTE Blade L130 на линиях экрана.

В модулях камер Малины (Raspberry Pi Camera V2.1, V3) стоят фильтры DLP11SN900HL2.

Характеристики несколько отличаются, но в целом похожи.

Переходные платы будут защищать фильтры с защитой от статики рядом с разъёмом экрана. Основная плата пока без защиты.

На этой китайской плате на линиях Мипи стоят детальки, похожие на RClamp0524P – Ultra Low Capacitance TVS Arrays for HDMI и других интерфейсов.

Подобные детальки ставят довольно часто на линии HDMI. На плате SX100 они тоже есть.

В первой версии платы я установил RClamp0524P на основную плату:

Потом заметил, что линии DSI часто оставляют просто открытыми (без такой защиты) и решил убрать эти детальки.

Источники по теме

1.    AN4511 Common mode filters.

2.    AN11303 Integrated Common Mode Filter with ESD protection.

3.    AN5612 ESD protection of STM32 MCUs and MPUs STMicroelectronics.

4.    High-Speed Interface Layout Guidelines.

5.    …

❯ Коротко о главном

Для питания лучше применять разъём с ключом. Иногда удобнее использовать простые штырьки. В таком случае схему стоит дополнить защитой от переполюсовки.

Добавление простого Пи-фильтра помогает улучшить электромагнитную совместимость (ЭМС).

На дифференциальные пары тоже стоит поставить фильтры (common mode filters). Они улучшат ЭМС и работу схемы.

Не лишней будет и защита от электростатического разряда (ESD).

Обычно дифф. пары в шлейфе разделяются землёй. Это отдаляет и экранирует их друг от друга. Кроме того, нужно обеспечивать хороший возвратный путь тока. Дополнительные контакты земли в разъёме помогают это сделать.

---

Новости, обзоры продуктов и конкурсы от команды Timeweb.Cloud — в нашем Telegram-канале ↩