Запускаем MIPI DSI экраны от смартфонов. Разработка схемы основной платы. Часть 3. Завершаем схему

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.

❯ 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.

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

❯ Защита от неверной полярности

 Схема защиты прекрасно описана здесь ^[1].

Расчёты

Подойдёт, например, транзистор AO3401A ^[2].

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 ^[3] про ЭМС есть совет добавлять Пи-фильтры на входы импульсных источников питания.

Ещё примеры можно найти у Фила ^[4]:

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 ^[5] 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 ^[6] общего применения и конденсаторы 2,2 мкФ.

Будет работать и без фильтра, но с фильтром лучше.

Несколько источников по бусинам

1.    How to Choose ^[7] Ferrite Components for EMI Suppression.

2.    Specifying a Ferrite for EMI Suppression.

3.    Бусины для подавления звона в ИИП ^[8].

4.    …

❯ Разъём для сигналов MIPI DSI

Обычно дифф. пары в шлейфе разделяются ^[9] 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 ^[10] всего 20 (durability (mating cycles max) – 20). Ток 500 мА на контакт, 50 В между.

У разъёмов серии FH26 ^[11] всего 10 циклов введения/извлечения шлейфа.

У мезанинных разъёмов AXT524124 ^[12] 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 ^[13]

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 ^[14] 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 ^[15] создадут дополнительные пути для возвратных токов, что улучшит целостность сигналов и уменьшит электромагнитные помехи. Всё равно контактов земли лучше сделать несколько.

Например, Фил ^[4] 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 ^[16] так же рекомендуется ставить фильтры и защиту от ESD поближе к разъёму.

Возьмём фильтр ICMEF112P900M ^[17] 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 ^[18], V3 ^[19]) стоят фильтры DLP11SN900HL2 ^[20].

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 ^[21] – Ultra Low Capacitance TVS Arrays for HDMI и других интерфейсов.

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 ^[22] Common mode filters.

2.    AN11303 ^[23] Integrated Common Mode Filter with ESD protection.

3.    AN5612 ^[24] ESD protection of STM32 MCUs and MPUs STMicroelectronics.

4.    High-Speed Interface Layout Guidelines ^[16].

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.

---