nRF52 MCU 在 PCB 中的应用入门

大多数半导体制造商都开发并发布了自己的微控制器产品线，Nordic Semiconductor 也不例外。他们最著名的产品之一是 nRF52，这是一款具有集成收发器、支持 RF 的 SoC。该组件体积小，提供高 I/O 数量，并且零件编号采用细间距 BGA 封装。

在本文中，我将展示一个使用 nRF52 细间距 BGA 封装版本的 PCB 布局示例。在本文的最后，您将有机会下载该项目的源文件。事不宜迟，让我们从包含 nRF52 的示例 PCB 布局开始。

对于想要观看此组件整个设计过程的观众，我们创建了以下播放列表，指导用户完成在 PCB 布局中使用 nRF52 的过程。具体来说，我们介绍了如何在需要一些 HDI 设计技术的设计中使用此组件的高密度（0.35 毫米球间距）版本。

前端设计

nRF52 有几种不同的封装，尺寸较小。这款芯片作为支持蓝牙的微控制器而广受欢迎，具有适中的引脚数和标准数字接口，包括在设备中使用 USB 的能力。该组件面向具有蓝牙 5连接能力的小型嵌入式设备。

在这个项目中，我们将使用的组件是nRF52840-CKAA-R7，这是一款具有 BGA 封装的 93 针 WLCSP。这款处理器以在不广播时以低功耗运行而闻名，因此可以使用小型电池。我们将为该系统添加一些电池调节和极性保护电路，以便它能够使用电池电源成功运行。

nRF52840 WLCSP 封装

nRF52840-CKAA-R7 的封装如下所示。球之间的测量条显示间距为 0.35 毫米。这是一个非常精细的间距，需要一些 HDI 设计中使用的设计技术。

nRF52840-CKAA-R7 占用空间。

其他重要组成部分

我们将在以下部分之一中介绍此组件的引脚排列和扇出。目前，设计中还会出现其他几个组件：

该设备最初需要通过标准的 2 针连接器连接到 LiPo 电池，并且我们需要包含至少一个接头来访问 I/O 并对电路板进行编程。I/O 数量大于我们通常可以容纳在单个接头上的数量，因此是否包含仅用于访问 I/O 的第二个接头是一个判断。现在，我们将继续使用电池连接器和单个 I/O 接头，并且我们以后可以随时添加另一个连接器。

入门：原理图

该设备的原理图并不太复杂，所有电路都可放在一页纸上。我将分别显示原理图的不同区域，以便整个设计清晰易读。

首先，我们来看看电源部分。在此设备中，3V3 电源由低噪声、低电流 LDO提供，额定电流输出为 150 mA。LDO 将电池电源 (VBAT) 作为输入，并将其转换为所需的 3V3 输出。

根据 VBAT 和 VDD1 的网络连接，我们看到有两种方式为电路板供电：

前者只需为 MCU 和 RTC 供电，无需为外设供电。后者则需要为整个系统供电，此时 VDD1 为输出，而非输入。

您会注意到，第二个稳压器为净 VDD2 提供 3V3 电源。该稳压器包括一个启用引脚，因此设备可以先使用 VDD1 通电，然后可以使用 VDD2 为外设（在本例中为 EEPROM）通电。这使设备能够在设备不使用时通过切换 VDD2_ENABLE 引脚关闭其外设。如果我们有任何其他外设可能希望包含在此设计中，而这些外设不是设备通电的核心，我们希望将它们连接到 VDD2 而不是 VDD1。

接下来，让我们看看 nRF52840 连接。这些是从 Nordic 开发板借用的，其组件上的原始连接集可以在其 Altium 设计文件中访问。

这里我分解了几个接口，支持电路主要包含参考晶体和一些电容器。电容器的范围从用于批量去耦的大外壳到用于在 VDD1 导轨上旁路的小外壳 (0201)。这个组件中还剩下很多引脚，这些引脚可以用于其他外设。我最终会将一些额外的 I/O 和 SPI 接口分解为引脚接头，如视频系列后面所示。

如果您查看引脚 E1，您会看到天线连接。最初，从参考设计中的原始原理图和布局开始，该阻抗匹配网络使用了不同的输出电容值。下面显示的阻抗匹配网络是通过使用在线计算器对天线阻抗进行逆向工程并修改匹配网络使其对称来确定的。将参考设计中的 0.8 pF 输出电容与下面显示的 1.2 pF 输出电容交换可产生基本相同的性能。

这基本上结束了原理图捕获部分，其余电路很容易实现。我们现在可以进入 PCB 布局。

PCB 布局

进入 PCB 布局后，我们需要完成一些重要任务才能在 WLCSP 中使用 nRF52840：

堆叠和扇出

堆叠和扇出策略的主要驱动因素是 nRF52 封装上的球间距。读者可能注意到上面的球间距为 0.35 毫米。我的封装中的焊盘尺寸为 0.212 毫米，考虑到 BGA 封装的 IPC 标准，这是一个合适的尺寸。焊盘对角线距离为 0.495 毫米。这些测量值如下所示。

如果我们尝试使用狗骨扇出和通孔来布线到内部引脚，那么通孔和相邻焊盘之间将只剩下大约 1-2 mil 的空间。对于大多数制造厂来说，这个距离太小，无法正确蚀刻。它还需要一个非常小的钻孔尺寸，大约 4 mil，焊盘直径为 8 到 9 mil。这些值太小，无法在标准制造中工作。

因此，我使用了带有盲孔和埋孔的焊盘内通孔扇出以到达内层。由于焊盘尺寸约为 8.3 mil，我们可以使用 4 mil 盲孔/埋孔和 8 mil 焊盘。为了保持 1:2 的纵横比，我们需要 4 mil 层厚度的盲孔/埋孔外层。这将产生总共 6 层，如下面的堆叠所示。

组件和天线放置

完成堆叠和扇出后，我对这块电路板的初始布局如下所示。在完成剩余的连接之前，我已添加了一些用于电源布线的多边形。6 针接头的初始布局用于编程和读取电压。下一个要考虑的点是天线布局，最后，我们可以将 I/O 分支到我们的连接器中。

在本设计中，我们将使用印刷天线来发送和接收无线信号。放置 nRF52 印刷天线的最佳位置是沿着电路板边缘。这样可以让天线远离数字部分。天线连接到 nRF52840 上的引脚 E1。

如果您查看 nRF52 参考设计，您会发现它们提供了一个可以合并到其他设计中的印刷天线示例。该天线是四分之一波长天线，可以通过计算天线的长度并将其与无接地微带配置中的 2.45 GHz 信号波长进行比较来验证这一点。考虑到此板的堆叠差异，上图所示的阻抗匹配网络应提供足够的匹配。

SWD 编程接头和 I/O 接头

如果您决定生产此板，则需要对其进行编程。 nRF52840 文档提供了仅使用 4 个引脚通过 SWDIO 协议对设备进行编程的指南：

因此，我将 1×6 引脚接头换成了 SWD 接头，因为这是用于对许多微控制器板进行编程的标准电缆（我的实验室中也有一些 SWD 电缆）。请注意，nReset 引脚（K6）对于编程是可选的，但我将把它与 VBAT 连接一起包含在 SWD 接头引脚排列中。我的 SWD 接头上的最终引脚排列如下所示。

对于这种类型的设备，我更喜欢使用的编程器是 PRESTO 编程器，可从 ASIX.net 获取。该编程器支持很多设备，包括 nRF52840 和一些其他 Nordic 产品。您必须为 PRESTO 上的电缆创建自定义引脚排列，但这很容易通过飞线来完成。

接下来，我决定将最初选择的 1×6 接头换成 2×7 接头，这样我就可以分出额外的 I/O。接头位于电路板的左上角。我在这些 I/O 上添加了 22 欧姆串联电阻，以减慢进入电路板或离开电路板的信号速度，以防这些互连中出现 EMI 问题。如果事实证明这些不需要，我可以随时将它们换成 0 欧姆电阻。

最终布局

最终的 PCB 布局如下图所示。我添加了一些徽标，在电路板的右下部分设置了零件编号，并沿着引脚接头的下半部分对齐了 I/O 线上的电阻。我还对丝网印刷进行了最后的清理，以便所有指示符都清晰且没有重叠。此时，设计已通过最终 DRC 并准备投入生产。

源文件和未来修订

尽管布线可以在几个地方进行改进，以清理 I/O 访问，但电路板可以正常工作，我对它的结果很满意。可以添加的一些附加功能包括 USB 连接器和 USB 充电管理 IC，以便设备可以通过 USB 插头上的标准 5V 总线充电。

可以添加到设计中的另一个组件是 Nordic 配套 IC，它为 nRF52 系列 MCU 提供 WiFi 访问。去年，即 2022 年 8 月，Nordic 宣布发布其 nRF 系列的最新版本：nRF7002。作为 nRF52 或 nRF53 产品的配套产品，这款 SoC 提供双频 WiFi 6 支持，功耗极低。我将在即将推出的项目和视频中介绍这款配套 IC。

nRF7002 配套 IC 为 nRF52/nRF53 MCU 提供 WiFi 接入。[来源：Nordic Semiconductor ]

作者：jkh920184196