Руководство по аппаратному проектированию SF32LB57x¶
1. Введение¶
В этом руководстве собраны рекомендации и справочные материалы по разработке устройств на базе высокоинтегрированного семейства микроконтроллеров SF32LB57x для AIoT. Оно предназначено для инженеров по аппаратной части, разработчиков PCB и специалистов по разработке изделий, создающих носимые и портативные интеллектуальные устройства, оборудование для умного дома и другие подключаемые устройства с низким энергопотреблением.
Руководство охватывает весь цикл аппаратной разработки: архитектуру питания, тактовые цепи, проектирование RF, интерфейсы дисплея и камеры, конфигурацию памяти и загрузки, аудиосхемы, разводку PCB, проверку и подготовку к производству. Следование этим рекомендациям помогает снизить риски при разработке схемы и трассировке, сохранить режимы низкого энергопотребления и учесть требования SF32LB57x к корпусу, питанию и интерфейсам.
Предполагается, что читатель знаком с основами разработки встраиваемой аппаратуры и составления принципиальных схем. Руководство дополняет даташит и руководство пользователя SF32LB57x, официальное руководство по применению аппаратной части, файлы референсных проектов и список поставщиков, одобренных SiFli (AVL). Электрические характеристики, мультиплексирование выводов, размеры корпусов, квалификацию компонентов и ограничения для серийного производства необходимо проверять по этим официальным источникам.
2. Материалы для разработки¶
3. Обзор устройства¶
3.1. Возможности¶
Типовой набор ресурсов SF32LB57x включает:
- До 58 GPIO; у некоторых вариантов BGA112 есть ещё шесть линий ввода-вывода, которые можно использовать для MPI3 либо настроить через pull-up/pull-down как статические выходы GP. Подробнее см. раздел «Корпуса».
- 3 UART, 4 I2C, 2 SPI и 2 CAN.
- 2 GPTIM (по 4 канала), 2 LPTIM, 2 ATIM (по 3 дифференциальных или 4 однотактных канала), 1 PWM (5 каналов) и 1 PTM (16 каналов).
- 4 выхода тактового сигнала RTC; в режимах сна доступны 4 выхода низкочастотного тактового сигнала (до 16 kHz).
- 2 интерфейса SDIO и 3 интерфейса памяти MPI.
- 2 аудиоинтерфейса I2S и 2 PDM; 1 дифференциальный аналоговый аудиовыход и 2 дифференциальных аналоговых аудиовхода.
- 1 USB 2.0 FS.
- 1 GPADC (12 каналов).
- 1 контроллер дисплея LCDC (24-разрядный DPI, 8/16-разрядный 8080, QSPI, 8/16-разрядный EPD и последовательный/параллельный JDI).
- 1 интерфейс камеры DCMI (DVP до 16 бит, SPI с 2 линиями данных и QSPI с 4 линиями данных).
- 10 аппаратных источников пробуждения.
- Отладка через DBG-UART и SWD; загрузка через DBG-UART, SWD, UART и USB.
Область применения интерфейсов дисплея
В сводке интерфейсов LCDC для SF32LB57x в прикладной заметке по аппаратной части перечислены SPI/QSPI, 24-разрядный DPI, 16-разрядный 8080, 16-разрядный EPD и последовательный/параллельный JDI. MIPI-DSI указан в списке совместимости для некоторых микросхем контроллеров дисплея, но не в этой сводке прямых интерфейсов LCDC самого чипа. Упоминание контроллера панели не подтверждает наличие в чипе встроенного хост-контроллера MIPI-DSI. До выбора схемы уточните у SiFli конкретный путь подключения контроллера дисплея.
3.2. Варианты¶
В семейство SF32LB57x входят два варианта с разными системами питания:
| Семейство | Типичные номера изделий | Особенности проектирования |
|---|---|---|
| Варианты с питанием от аккумулятора | 570 / 573 / 575 / 576 / 577 / 578 / 579 | Для устройств с литий-ионным аккумулятором. Обычно в проекте используются VBAT, VCC, VBUS и встроенная либо внешняя схема зарядки. |
| Варианты с питанием 3,3 V | 57Z / 57C / 57E / 57F / 57G / 57H / 57J | Для систем с внешним стабилизированным источником 3,3 V. PVDD, AVDD, VDDIO и другие связанные шины питания подаются извне. |
Warning
Эти семейства отличаются подключением питания, последовательностью включения и некоторыми вариантами корпусов. Перед переносом схемы проверьте точный заказываемый номер изделия.
3.3. Корпуса¶
Доступны корпуса QFN68L, QFN80L и BGA112. В документации SF32LB57x для каждого корпуса указаны два варианта толщины; кроме того, у вариантов с питанием от аккумулятора и 3,3 V различаются схемы выводов. Выбирайте схему выводов, POD, посадочное место и чертёж трафарета для точного заказываемого номера изделия.
| Корпус | Типовой размер | Шаг выводов | Особенности проектирования |
|---|---|---|---|
| QFN68L | 7 mm x 7 mm | 0,35 mm | Подходит для компактных устройств; проверьте заземление открытой контактной площадки, отверстия трафарета и возможность разводки на верхнем слое. |
| QFN80L | 8 mm x 8 mm | 0,35 mm | Больше линий ввода-вывода; проверьте различия доменов питания и группы выводов дисплея/памяти. |
| BGA112 | 5,4 mm x 4,4 mm | 0,4 mm | Компактный корпус, но разводка сложнее; заранее согласуйте возможности производства PCB. |
Корпуса QFN68L и QFN80L предоставляют только указанное для заказываемого номера изделия количество GPIO; дополнительных выводов MPI3 или статических выходов у них нет.
Доступность GPIO для BGA112
Только для BGA112. В SF32LB57x интегрированы MPI1, MPI2 и MPI3. Позиции внутренней памяти, связанные с каждым интерфейсом, описаны в правилах обозначения компонентов SF32. При любой из трёх следующих конфигураций памяти в корпусе выводы MPI2 и MPI3 недоступны извне, поэтому доступны только 58 линий GPIO: (1) по одной микросхеме PSRAM на MPI1 и MPI2; (2) одна микросхема PSRAM объёмом 256 Mbit на MPI2; или (3) микросхема NOR Flash на MPI3. SF32LB57GVD776 относится к случаю (3); вторая цифра 7 в коде указывает на внутреннее использование MPI3. Во всех остальных конфигурациях шесть линий BGA112, связанных с MPI3, доступны для MPI3 либо могут быть настроены как статические выходы GP с помощью подтяжки вверх или вниз; это не GPIO со свободным назначением. Поэтому обозначение 58 + 6 для SF32LB57ZVN7N6 означает 58 GPIO и ещё шесть линий для MPI3 или статических выходов, а не 64 GPIO со свободным назначением.
| Корпус | Размер корпуса | Толщина микросхемы | Шаг выводов |
|---|---|---|---|
| QFN68L | 7 mm x 7 mm | 0,9 mm | 0,35 mm |
| QFN68L | 7 mm x 7 mm | 1,1 mm | 0,35 mm |
| QFN80L | 8 mm x 8 mm | 0,9 mm | 0,35 mm |
| QFN80L | 8 mm x 8 mm | 1,1 mm | 0,35 mm |
| BGA112 | 5,4 mm x 4,4 mm | 0,98 mm | 0,4 mm | | BGA112 | 5,4 mm x 4,4 mm | 1,03 mm | 0,4 mm |
Рекомендуется проверить:
- Нумерация выводов соответствует их расположению в datasheet.
- Выводы питания, земли, RF, кварца, USB, дисплея, загрузки и отладки подключены верно.
- Заземление открытой площадки QFN и тепловые переходные отверстия соответствуют требованиям монтажа.
- Возможности производителя PCB по разводке BGA, глухим/скрытым переходным отверстиям, паяльной маске, трафарету и монтажу подтверждены.
3.4. Основные аппаратные особенности¶
- Два основных варианта питания: от аккумулятора или от внешнего стабилизированного источника 3,3 V.
- Корпуса QFN68L, QFN80L и BGA112 с отдельными требованиями к расположению выводов, посадочным местам, трафарету и процессу изготовления PCB.
- Поддерживаются дисплеи с интерфейсами SPI/QSPI, 8080, RGB/DPI, EPD и JDI — в зависимости от устройства и расположения выводов; область применения MIPI-DSI описана в примечании к разделу 3.1.
- Варианты хранения данных и загрузки с использованием встроенной в корпус памяти и внешней памяти MPI/SDIO.
- RF, кварцы, аудио, камера, дисплей, USB, SDIO и цепи питания требуют совместной проверки схемы и PCB на раннем этапе.
3.5. Типовые применения¶
SF32LB57x подходит для компактных продуктов, которым нужны возможности ИИ, камера или современный дисплей наряду с Bluetooth:
- Умные часы, спортивные часы и другие носимые устройства
- Портативные интеллектуальные устройства и панели управления умным домом
- Датчики с функциями ИИ и устройства периферийного инференса
- Bluetooth-устройства с камерой
- Устройства с интерфейсами дисплея SPI/QSPI, RGB/DPI, 8080, EPD или JDI — в зависимости от выбранного устройства и топологии контроллера дисплея
- Продукты, которым нужны компактные корпуса QFN или BGA и широкие возможности GPIO и хранения данных
4. Краткий обзор проекта¶
4.1. Аппаратная архитектура¶
| Элемент проекта | Типовая реализация |
|---|---|
| Семейства питания | Варианты с питанием от аккумулятора или от внешних 3,3 V; не смешивайте схемы питания |
| Корпуса | QFN68L, QFN80L, BGA112; выбирайте расположение выводов, POD, посадочное место и трафарет по точному номеру изделия |
| Процесс изготовления PCB | Согласуйте с производителем/сборщиком PCB требования к контактным площадкам QFN, переходным отверстиям в открытой площадке и трафарету; для BGA также заранее подтвердите возможность разводки и производственный процесс |
| Тактирование | Основной кварц 48 MHz и кварц RTC 32,768 kHz |
| RF | Тракт антенны 50 Ω, π-образная согласующая цепь рядом с микросхемой, локальная фильтрация питания RF |
| Дисплей | SPI/QSPI, 8080, RGB/DPI, EPD или JDI — в зависимости от возможностей устройства и расположения выводов; область применения MIPI-DSI описана в примечании к разделу 3.1 |
| Память | Встроенная в корпус память и внешние варианты MPI/SDIO; тип загрузочного носителя следует определить до разводки |
| Аудио | Аналоговый аудиовход/выход, PDM/I2S, напряжение смещения микрофона, опорный аудиосигнал и варианты внешнего усилителя мощности (PA) |
| Камера | Интерфейс камеры DCMI; разводите его и цепи питания как чувствительный к шуму высокоскоростной интерфейс |
| Отладка и производство | DBG-UART, SWD, конфигурация загрузки, PA00/PA01/PA34, шины питания и производственные контрольные точки |
4.2. Процесс аппаратного проектирования¶
| Шаг | Решение | Основные разделы |
|---|---|---|
| 1 | Подтвердите точный заказываемый номер изделия, семейство питания, корпус и схему выводов | Обзор устройства |
| 2 | Зафиксируйте загрузочный носитель, интерфейс дисплея, использование камеры, доступ к отладке и цели по низкому энергопотреблению | Краткий обзор проекта, Разработка схемы |
| 3 | Определите дерево питания, схему зарядки/OVP, компоненты BUCK/LDO и последовательность включения | Система питания |
| 4 | Выберите источники тактирования, топологию RF, память, дисплей, аудио, камеру и общие интерфейсы | Формирование тактового сигнала, RF, Интерфейсы пользователя, Память и подключение |
| 5 | Проверьте посадочное место корпуса, stack-up, вывод трасс из корпуса и разводку RF, кварцев, USB, SDIO, дисплея, аудио и питания | Рекомендации по разводке PCB |
| 6 | Выполните самопроверку проекта и до EVT сохраните схему, разводку, AVL, отчеты DRC/ERC, данные по импедансу, питанию, RF и производству | Самопроверка проекта заказчиком |
4.3. Как пользоваться руководством¶
Используйте руководство в порядке проверки платы. Сначала подтвердите точный заказываемый номер изделия SF32LB57x и семейство питания, зафиксируйте корпус и процесс изготовления PCB, а затем изучите datasheet вместе с соответствующей схемой минимальной системы из раздела 5.1. После этого определите дерево питания, загрузочный носитель и необходимый доступ для отладки и загрузки; затем назначьте функции линиям ввода-вывода по таблице мультиплексирования и требованиям продукта. Когда минимальная система определена, проверьте тактирование, RF, дисплей, память, аудио, камеру, общие интерфейсы, разводку PCB и производственный доступ. Раздел 5 задает основу схемы, раздел 6 — основу реализации PCB, а раздел 7 содержит самопроверку заказчика перед выпуском схемы или разводки.
4.4. Комплект материалов для проверки¶
До EVT сохраните версии datasheet, руководства пользователя и референсных проектов, PDF схемы, stack-up PCB, отчет по импедансу, отчеты DRC/ERC, дерево питания, бюджет энергопотребления, цепи зарядки и загрузки, список производственных контрольных точек, а также снимки участков RF, кварцев, USB, SDIO, дисплея, камеры, аудио, GPADC и разводки корпуса.
Продолжение руководства по проектированию¶
Полное руководство продолжается на страницах ниже. Каждая посвящена одному этапу проектирования; перейти к ним можно отсюда.
- Минимальная система и питание — согласование корпуса и семейства питания, загрузочные перемычки, носитель загрузки, доступ к отладке/загрузке, дерево питания, зарядка/OVP, BUCK, шины низкого энергопотребления и режимы работы
- Тактирование, RF и пользовательские интерфейсы — кварцы 48 MHz и 32,768 kHz, согласование RF и тракт антенны, дисплей, сенсорный экран/подсветка, аудио, камера, кнопки и вибромотор
- Накопители и производство — память, загрузка, GPIO, таблицы IO MUX и матричного pinmux, UART/I2C/SPI/SDIO/USB/CAN/GPADC, программирование на производстве, калибровка и доступ к тестовой оснастке
- Чек-лист проверки схемы — проверка схемы по пунктам (раздел 5.8)
- Рекомендации по разводке PCB — stack-up, критические ограничения PCB, разводка питания/кварцев/RF/аналоговых и аудиоцепей/высокоскоростных линий, EMI/ESD/EOS и иллюстрации
- Контрольный список компоновки PCB — проверка разводки PCB по пунктам (раздел 6.10)
- Самопроверка проекта и справочные материалы — самопроверка проекта заказчиком, связанные документы, приложения и история изменений
Последнее обновление: