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Explicando os circuitos da Raspberry Pi Pico. Tudo nos mínimos detalhes

Atualizado: 24 de fev. de 2021

Circuito tão simples, funcionais e tão bem pensados são algo bonito de se ver.


Esse circuito tem umas sacadas que facilitam muito a vida do usuário e também dão muita qualidade para toda a placa.


Esse circuito é bem simples e eu dividi em blocos para ajudar mais a entendê-lo.

Começando pelo centro das atenções:


O microcontrolador


Nele estão conectados capacitores de desacoplamento, conector USB e uma referência de tensão.



Os capacitores C4 ao C11 são de desacoplamento. Eles servem para fornecer uma corrente em alta frequência para tentar eliminar todo sinal alternado de ruído de tensão que são gerados pelo próprio microcontrolador.


A circuitaria interna ao integrado gera pulsos de alta frequência que, devido a indutâncias da própria placa, não são facilmente compensáveis pelo regulador do circuito e do regulador interno. Note que alguns desses pinos trabalham em 3.3 V e outros em 1,1 V. Os pinos DVDD são alimentação do core do microcontrolador e trabalham em 1,1 V. Quem fornece essa tensão regulada é o pino VREG_VOUT (45). A entrada desse regulador de 1,1 V é logo ao lado, no VREG_VIN (44). Esses dois pinos tem conectados capacitores de 2,2 uF que são chamados de bulk. Esses capacitores são destinados a fornecer maior quantidade de energia para uma frequência mais baixa.


Já IOVDD são responsáveis por alimentar as entradas e saídas. Alimentando com esse nível, fica numa tensão padrão para conectar módulos e circuitos integrados fora dessa placa.


Circuito analógico


Um outro pino especial de alimentação é o ADC_AVDD (43) e serve para alimentar o conversor analógico-digital e também servir de referência de tensão analógica. O nível de tensão vem do regulador de 3,3 V passando por um resistor (R7) de 200 ohms e outro (R9) de 1 ohm. Após os resistores é feito o bulk em também num capacitor de 2,2 uF.


Interessante nesse circuito que esses dois resistores criam uma separação de alimentação onde no nó de 3,3V há bastante ruído e no pino ADC_AVDD há uma boa redução desses. Por curiosidade vamos ver a frequência de corte desse filtro:



Ou seja, para frequências maiores que 360 Hz haverá redução do ruído quanto maior for sua frequência.


Uma consequência desse resistor é queda de tensão em razão da alimentação do conversor analógico-digital. A queda por sua vez também causa redução da precisão.


A queda é sobre os mesmos 201 ohms e com uma corrente de 150 uA indicada no esquemático. Por tanto, há aproximadamente 30,1 mV de queda.


No próprio diagrama é indicado o uso de uma referência externa LM4040 de 3 V para além de ter ruído diminuído, possa haver uma precisão maior na leitura.


USB


Também conectado ao RP2040, há dois resistores, R12 e R13 no barramento USB. Esses resistores servem para aumentar a estabilidade do sinal. Eles evitam oscilação no barramento nas transições do sinal digital. As oscilações acontecem devido a indutâncias e capacitâncias parasitas do próprio cabo e placa. Ao adicionarmos esse resistor no meio do caminho essa energia de oscilação se dissipa.


O cristal de 12 MHz

O circuito oscilador, nesse caso, é formado pelo cristal de 12 MHz, dois capacitores e um resistor.


Os capacitores com o cristal servem para formar o circuito pi de oscilação do circuito.


Nesse circuito, o resistor de 1 kohm ligando o cristal a o microcontrolador, serve para limitar a energia que é transferida ao cristal.


A memória e o circuito de

O RP2040 não possui memória flash para armazenar programas de usuário. Sua memória interna é onde está armazenadas a rotinas que são implementadas para gravação do micro via USB.


Por esse motivo, na placa, está presente uma memória de 2 MB conectada através do barramento quad-SPI, que basicamente transfere 4x a quantidade de dados em relação a um SPI de um bit, em uma mesma frequência.


Nesse circuito, C18 e C15 tem funções de bulk e desacoplamento, respectivamente.


O botão SW1, conectado ao GND e a um circuito de pull-up por R11, quando pressionado mantém a memória desligada. Se quando a placa for energizada e o botão estiver energizado, o microcontrolador inicia a rotina de gravação via USB.


O LED verde


Na placa há um LED verde ligado em série com um resistor de 470 ohms, colocando o diodo em uma polarização adequada.






Se estimarmos uma queda de 2 V nesse LED, podemos calcular sua corrente aproximada em:


O Regulador Buck-Boost


O último, mas extremamente importante para elevar as especificações da placa, é o regulador para 3,3 V.


A placa, para facilitar a operação, é alimentada com 5V através do conector USB (J1), mas pode também ser alimentada com outras tensões do usuário. Essa alimentação pode variar entre 1,8 V e 5,5 V.

Alimentação externa pode ser feita no VSYS, pino 39 da placa. No circuito há o diodo Schottky (D1) que faz o que chamamos de or-ing das fontes de alimentação. Com ele é possível ter simultaneamente o cabo USB e uma fonte externa conectadas sem que a USB seja danificada.

Esse circuito não protege quando tiver o cabo plugado e uma fonte externa com menos de 5V.

Isso causaria um curto circuito. Para se proteger disso, basta adicionar um diodo na saída sua fonte externa e conectar ao VSYS. Tudo resolvido!


Se notar, a tensão do circuito de 3,3 V está entre 1,8 e 5,5 V. Isso só é possível por utilizar um regulador buck-boost. O circuito possui o controlador RT6150B-33GQW que faz essa função.

Para para tensões maiores que 3,3 V ele abaixa como um regulador buck, mas quando a tensão é menor que 3,3V, ele faz o papel de boost, elevando a tensão.


Feedback de tensão


Logo após o conector USB há um divisor de tensão em que sua saída é conectada no micro e serve para ser possível tanto detectar a presença do cabo USB alimentado.


Economia de energia


Esse regulador possui o pino PS (power-save) que serve para alternar o nível de consumo do regulador.


  • Quando está em nível lógico alto, o circuito entra no modo de PWM constante. Nesse modo, devido ao chaveamento constante em 1 MHz, o circuito possui um ripple bem baixo, e seu consumo em nível normal.

  • Já em nível 0 nesse pino, há a operação em power-saving, quando o regulador apenas chaveia quando há necessidade de corrigir a tensão de saída. Como o chaveamento é reduzido, são reduzidas também as perdas, diminuindo o consumo do circuito regulador.


Por ultimo temos o diagrama com os pinos da placa:


Esses são os circuitos principais da placa. Achei todos simples, elegantes e funcionais. Ja já, vamos analisar o layout da Raspberry Pi Pico.

Ficou alguma dúvida?

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