Schmartwatch [14]: Flex Baugruppe bestücken

Die flexieblen Leiterplatten wurden geliefert und ich kann jetzt mit der Bestückung beginnen. Die Bestückung der ersten Leiterplatte werde ich in einzelnen Phasen durchführen. Zuerst wird der DCDC Konverter U2 bestückt. Dieser sitzt auf 6 BGA Bällchen und ist nicht leicht zu platzieren.
Wie man in den Aufnahmen bereits sehen kann, ist die Referenzierung der Siebdruck, Lötstopp und Kupfer Maske nicht ganz akkurat. Daher wurde an den Stellen der kleinen Landepads auch nachgearbeitet. Mit dieser Modifikation sollte es nun möglich sein die Bauteile korrekt und ohne Kurzschluss zu verlöten. Wenn ich die TPS61099 verlötet habe, kann ich mit dem Multimeter die Lötstellen auf Kurzschlüsse prüfen. Das Verlöten wird mit dem Heißluftfön passieren. Dabei wird mit Flussmittel eine Barriere zur Athmosphäre hergestellt (viel hilft viel) und der Chip erhitzt, bis das Lötzinn flüssig ist. Die suaerstoffhaltige Athmosphäre soll absgeschottet werden, um ein oxidieren (verbrennen) des Lot zu vermeiden. Im industriellen Herstellungsprozess wird das mit zum Beispiel einer Schutzathmosphäre erreicht. Anschließend kann dann mit dem Lötkolben die restliche Beschaltung dazugelötet werden. Wahlweise kann auch hier die Heißluft eingesetzt werden um die Bauteile zu verlöten.

Wenn der Regler aus den 3V Eingangsspannung die gewünschten 3,3V Ausgangsspannung erzeugt, kann die MCU, also der Microcontroller U3 bestückt werden. Dieser hat ebenfalls Landepads, die allerdings größer sind als die kleinen Kreisförmigen des Spannungsreglers. Hier musste nicht nachgearbeitet werden um die Pads mit Lötstopplack zu trennen. Diese Trennung ist wichtig, denn sonst könnnen sich Brücken bilden, die man von Außen nicht sehen kann. Für den Microcontroller kann ebenfalls eine Kurzschlussmessung erfolgen, ebenso wie eine optische Inspektion unter dem Mikroskop. Wenn der Lötvorgang für Gut befunden wird, kann die restliche Peripherie um den Controller gelötet werden. dazu gehören: Stützkondensatoren, und Vorspannungswiderstände. Wenn alle diese Komponenten verlötet sind, sollte der Controller über den Debug-Port erreichbar sein.
Sollte das der Fall sein, kann mit der Bestückung der externen ePaper Beschaltung begonnen werden. Diese, zusammen mit dem Stecker J3 ist für sie Uhrenfunktion absolut notwendig. Die Echtzeituhr und der Bewegungssensor werden nacheinander dazugelötet und auf Kurzschlüsse überprüft. Jede der Komponenten sollte dann einzeln in Betrieb genommen werden.

Die Bilder zeigen, dass der Offset des Siebdrucks leider so stark ist, dass der Rahmen um die Komponenten nicht als Referenz zum Platzieren herangezogen werden kann. Das ist schade, denn jetzt muss ich mich auf die optische von der Seite erfolgende Bewertung der Platzierung verlassen.

Die Rückseite der Flexplatine ist mit einer dicken Schicht Polyimid (PI) versehen. Da auf der Rückseite allerdings auch einige Messpunkte anfgebracht sind, wurde in der Schicht Öffnungen vorgesehen.

Diese Öffnungn sind groß genug um mit dem Tastkopf an das darin liegende Pad zu gelangen. Somit ist das Testen in einem Testadapter möglich. Diesen habe ich allerdings noch nicht entworfen.
Um die Uhr weiter zu stabilisieren wird der Batteriehalter in der Mitte mit einem thermisch aushärtenden Kleber fixiert. Das Kunststoffgehäuse des Halters kann so Längs und Quer Kräfte aufnehmen, die die Platine in der Mitte durchbiegen würden.

Beim Auflöten der zusätzlichen Komponenten habe ich an eine noch unbekannten Stelle einen Kurzschluss, oder besser gesagt eine Diodenstrecke von  0,4V in beide Richtungen. Hier muss ich also erst noch ein bisschen nacharbeiten, bevor ich mit dem Prototyp eine Funktion testen kann.

Wenn die Funktion gegeben ist, werde ich als nächsten Schritt die Software so weit fertig machen, dass sie initial released werden kann. Dazu fehlt noch ein wenig Code, vor allem die Funktion die Updatemuster des ePapers zu kontrollieren.

Schmartwatch [11]: Neue Hardware

Die erste Version der Hardware hatte einige kleine Bugs. Darunter war ein Fehler in der Booster Schaltung für VCOM des E-paper Displays, Kondensatoren, die nicht spannungsfest genug waren und kein Piezo Piepser. Alles das ist in der zweiten Version der Hardware vorhanden. Mit der Bestellung habe ich eine ganze Weile gewartet, da ich erst alle Teile der Hardware, die bereits vorhanden ist und funktioniert testen wollte. Das ist jetzt geschehen und die zweite Version kann hergestellt werden.

Die alte Version der Hardware hat einige Pinbelegungen anders als die Neuere. Daher ist die Software bereits dafür ausgelegt, die richtige Header Datei einzubinden, wenn für die eine oder andere Hardware kompiliert wird.

Hier eine Übersicht der aktuellen Funktionen.
Links oben befindet sich der Piezo Buzzer. Um dafür Platz zu machen, ist der Bewegungssensor U4 und der Mikrocontroller U3 weiter nach rechts gewandert. Die RTC, die unabhängig vom Controller läuft, ist ein wenig weiter nach unten gewandert und sitzt jetzt rechts oberhalb der Batteriehalterung. Unterhalb der Batterie befindet sich der Teil der E-paper Ansteuerung. Im Gegensatz zur Version 1 ist hier die Schaltung mit 0603 Bauelementen ausgelegt. Daher können Kondensatoren mit höheren Spannungsfestigkeiten eingesetzt werden. Ein zusätzliches Feature ist die Beleuchtung des Displays. Dafür ist ein weiterer Flat-Flex-Stecker vorgesehen: J4.

Das PCB, das ich bestellt habe wird aus 0,4 mm dickem FR4 hergestellt und kommt damit der Dicker eines Flex-Boards mit Stiffner nahe. Eventuell ist sie auch flexibel genug um für das Handgelenk gebogen zu werden. Der Stecker sollte zwar mit einem 0,3 mm dicken Flex-Board verwendet werden, aber vielleicht passt das 0,4 mm dicke ja trotzdem.

Auch hier ist die Wahl wieder auf FR4 als Boardmaterial gefallen, da die Flex Boards alle viel teurer sind. Wenn mehr als 5-10 PCBs bestellt werden können, weil ich mir sicher bin, dass es das endgültige Design ist, dann ist Flex wieder nicht zu teuer. Bis dahin wird FR4 genügen müssen.

Einer der nächsten Schritte wird es sein, die Hardware und die Software für die Veröffentlichung vorzubereiten. Im Moment schließe ich die BOM ab, sodass eine Liste aller benötigten Bauelemente zur Verfügung steht. Weiterhin kommt dann noch ein neueres 3D Modell zum Einsatz. Auch hier sind einige Design Änderungen eingeflossen, die in der ersten Version noch nicht beachtet wurden. Dazu aber später mehr.

Schmartwatch [10]: Energieverbrauch Ergebnis

Hier ist das Ergebnis des Batterie Tests. Wie anhand der Oszilloskop-Bilder zu sehn war, ist die Batterie kontinuierlich beansprucht worden. Das hat sie nicht lange mit sich machen lassen und so stand heute, als ich aus dem Urlaub zurück gekommen bind, folgendes Ergebnis fest:

Die Uhr lief genau bis zum 29.09. 02:29 Uhr. Das ist nicht besonders lange. Gerade einmal 6,5 Stunden.

Das Ergebnis zeigt, dass es noch zu viele aktive Stromverbraucher gibt. Der nächste Schritt wird sein, diese zu finden und zu beseitigen.

Schmartwatch [09]: Energieverbrauch

Ich habe jetzt Urlaub und was bietet sich da besser an, als ein Laufzeit Experiment. Die Uhr ist mit der aktuellen Software ausgestattet, das Softdevice ist initialisiert, aber nicht aktiv. Ich habe eine neue Batterie eingelegt und lasse die Uhr jetzt einfach liegen. Dank des E-Ink Displays kann man genau sehen, wie lange die Uhr lief, bevor kein Update mehr kam. Das Foto zeigt die Uhr kurz nach dem Start beim Updaten der Minute.

Testbedingungen

Test startete am  28.09.2018 19:56
Git Revision 0c692ed

Hardware:

  • FR4 Prototyp mit Display Adapter Platine
  • J-Link Adapter mit Diode
  • CR2032 Lithium Knopfzelle von EDEKA zuhause MHD: 12-2022

Zum Schluss noch einige Messungen während die Uhr läuft:

Zustand der Spule am Schaltpunkt des DCDC-Konverters während des Ruhe Betriebs.
Dieser Spannungsverlauf hat eine Einschaltdauer von 15%.
Zustand der Spule am Schaltpunkt des DCDC-Konverters während einer Aktualisierung.
Spannung an der Batterie während des Ruhe Betriebs. Spannung an der Batterie während einer Display Aktualisierung.

Schmartwatch [08]: BOM Management in KiCad

Um eine elektronische Baugruppe herstellen zu können benötigt man neben einer Leiterplatte elektronische Komponenten. Diese haben spezifische Werte, um die gewünschte Funktion zu erzielen. Spezifiziert werden die Werte beim Eingeben des Schaltplans. In KiCad geht das mit dem Programm Eeschema. Anhand der Funktion und angegebenen Parametern kann eine Auswahl getroffen werden, welche Bauteile von welchem Hersteller für eine Komponenten im Schaltplan verwendet werden können. Ähnlich wie bei der Herstellung von Leiterplatten können dann verschiedene Gründe, wie Lieferzeit und Preis, die Auswahl beeinflussen. Betrachtet man diese Schaltung, zeigt sich dass hier folgende Komponenten verwendet werden:

Zwei Widerstände, eine Spule , zwei Kondensatoren, drei Schottky Dioden und ein Transistor. Im Schaltplan sind alle wichtigen Informationen eingeblendet um die Schaltung ausreichend zu spezifizieren. Der Transistor ist angegeben als Si1308EDL. Dieser wird von der Firma Vishay hergestellt und ist nur im SOT-323 Package zu bekommen. Für die Schottky Dioden ist eine Typenbezeichnung angegeben: MBR0530. Ebenso eine Gehäuseform: SOD-123. Somit kann als Bauteil eine Diode von ON Semi oder MCC eingesetzt werden. Bei den Kondensatoren, Widerständen und Spule ist die Auswahl noch größer. Die Kondensatoren haben als Werte die Kapazität, Gehäusegröße und maximal Spannung angegeben. Mit diesen Werten bieten sich mehrere Hersteller an. Hier sind zum Beispiel Murata, Yageo oder TDK zu nennen. Jeder der Kondensatoren, der die angegebenen Werte erfüllt ist geeignet in dieser Schaltung verwendet zu werden. Die Spule ist ähnlich wie die Kondensatoren mit drei Charakteristiken spezifiziert. Der Induktivität, dem maximalen Strom und der Bauform. Mit diesen Parametern bieten sich Spulen der Hersteller Taiyo Yuden oder TDK an. Beide Spulen sind geeignet.
Bei den Widerständen sind lediglich die Gehäuseform (0603) und der Ohmsche Widerstandswert angegeben. Daher bieten sich eine Vielzahl an Herstellern an, z.B. Stackpole, Bourns, Vishay, Yageo oder Susumu.

Wie zu sehen ist, stehen für viele Komponenten der Schaltung Alternativen zur Verfügung. Diese sind grundsätzlich alle geeignet um eine funktionierende Baugruppe zu bilden. Beim Herstellen kann also die günstigste oder kurzfristig beschaffbare Variante gewählt werden. Das ganze zu verwalten nennt man BOM-Management (Bill of Material). In größeren Unternehmen sind ganze Abteilungen damit beschäftigt, die Verfügbarkeit von Alternativen für die Bestückung der Leiterplatte zu sichern. Im kleinen Rahmen reicht aber eine solche Tabelle völlig aus.

Im aktuellsten KiCad (5.0.0) ist das Management der BOM nicht ganz ausgereift, aber dennoch brauchbar. Die Tabelle wird dynamisch mit den Komponenten im Schaltplan aktualisiert und kann auch die einzelnen Gruppen als ganzes bearbeiten. So sind zum Beispiel alle Kondensatoren  mit 100nF gruppiert. Wenn in der Gruppe ein Feld geädert wird, ändert sich auch jede Komponente in der Gruppe. So kann nach der Schaltplaneingabe schnell eine Zuordnung der einzelnen Komponenten zu Bestellnummern (MPN) hergestellt werden. Das Feld Price habe ich noch zusätzlich eingefügt, um einen groben Überblick über die Kosten zu behalten. Wenn in der Tabelle die Felder fehlen, kann einem beliebigen Bauteil das Feld im Eigenschaften-Dialog hinzugefügt werden. Danach sthet es allen Komponenten zur Verfügung.

Mit diesen Feldern in den Eigenschaften der einzelnen Komponenten kann eine Stückliste erzeugt werden, die viele Informationen für eine Bestellung beinhaltet. Über den BOM Ausgabedialog kann das Plugin bom_csv_grouped_by_value ausgeführt werden. Wenn das in der Auswahl nicht aufgeführt ist, aknn es über Add Plugin hinzugefügt werden. Im Ordner „C:\Program Files\KiCad\bin\scripting\plugins“ befindet sich das Script.

Weiterhin sollte in der Kommandozeile das %O durch ein %O.csv ersetzt werden, wie in der Abbildung zu sehen. Dadurch wird der erzeugten Datei die Endung .csv gegeben anstatt keiner.

Nachdem die BOM generiert wurde, findet ihr die Ausgabe im Projektordner mit den Namen des Projekts und wenn die Kommandozeile angepasst wurde mit Endung .csv. Hier sind die Werte der Tabelle als Text abgespeichert und können in einer Tabellenkalkulation bearbeitet werden. Diese Liste kann auch dem Hersteller der Baugruppe übergeben werden. Eventuell müssen hier noch Komponenten gelöscht werden um mögliche Verwirrungen zu vermeiden.

Um Signale an der Flachbaugruppe gut messen zu können, werden Testpunkte in der Schaltung verwendet. Diese sind zwar Komponenten im Schaltplan, haben aber kein Bauteil, das bestückt werden muss. Daher kann in der Stückliste die Zeile entfernt werden. gleiches gilt für die Widerstände, die als DNP (Do Not Place) markiert sind. Auch einer der Steckverbinder soll nicht verlötet werden, daher kann er aus der Liste gestrichen werden.

Was jetzt übrig bleibt, ist eine vollständige Stückliste mit alternativen Bauteilen, wenn möglich, aus der jeder Hersteller ein Angebot für die Baugruppe erstellen kann.