Targeta de visita PCB amb NFC: 18 passos (amb imatges)

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:14

En arribar al final dels meus estudis, recentment vaig haver de buscar una pràctica de sis mesos en el camp de l’enginyeria electrònica. Per fer una impressió i maximitzar les meves possibilitats de ser reclutat en companyia dels meus somnis, vaig tenir la idea de fer la meva pròpia targeta de presentació. Volia fer quelcom únic, útil i capaç de demostrar les meves habilitats de disseny de circuits electrònics a qui el lliuraria.

Fa tres anys, mentre navegava per Instructables, vaig trobar un projecte molt interessant realitzat per Joep1986, titulat "Targeta de visita digital amb NFC". Aquest projecte consistia a incrustar una etiqueta NFC en una targeta de visita de paper per compartir informació de contacte amb un telèfon equipat amb tecnologia NFC. Em va semblar molt inspirador aquest projecte i vaig pensar que substituir l’etiqueta NFC genèrica per un circuit personalitzat del meu invent.

Així vaig tenir la idea de crear la meva pròpia targeta de visita en una placa de circuit imprès, capaç d’enviar en un instant el meu perfil de LinkedIn al telèfon intel·ligent d’un reclutador mitjançant tecnologia NFC.

Aquest instructable cobreix tots els passos que he seguit per imaginar, dissenyar i crear la meva targeta de presentació de PCB amb NFC, des dels càlculs dels paràmetres de l’antena fins a la programació de xips NFC passant pel disseny de PCB amb textura.

Pas 1: NOM, eines i habilitats necessàries

Necessitarà:

Eines necessàries:

• soldador
• eina de reelaboració d’aire calent
• pasta de soldadura
• flux de soldadura
• filferro de soldadura
• pinces llargues per al nas
• pinces de bloqueig creuat
• alcohol isopropílic
• un consell Q
• un escuradents
• un telèfon amb NFC

Eines opcionals (però útils):

• Extractor de fums
• Magnífic vidre

Habilitats:

Habilitats de soldadura SMD

Factura de materials:

Component	Paquet	Referència	Quantitat	Proveïdor
Xip NFC 1kb	XQFN-8	NT3H1101W0FHKH	1	Mouser
LED groc	0805	APT2012SYCK / J3-PRV	1	Mouser
Resistència de 47 Ω	0603	CRCW060347R0FKEAC	1	Mouser
Condensador de 220 nF	0603	GRM188R70J224KA88D	1	Mouser
PCB	-	-	1	Elecrow

Pas 2: la tecnologia NFC

Què és NFC?

NFC és un acrònim de Near Field Communication. És una tecnologia de ràdio de curt abast que permet la comunicació entre dispositius que es mantenen molt a prop (<10 cm). Els sistemes NFC es basen en els RFID tradicionals d’alta freqüència (HF), que funcionen a 13, 56 MHz.

Actualment, l'estàndard NFC admet diferents velocitats de transmissió de dades de fins a 424 kbit / s. El principal mecanisme de comunicació NFC entre dos dispositius és el mateix que el RFID tradicional de 13, 56 MHz, on hi ha un mestre i un esclau. El mestre s’anomena emissor o lector / escriptor i l’esclau és una etiqueta o una targeta.

Com funciona ?

NFC sempre implica un iniciador i un objectiu: l'iniciador (emissor) genera activament un camp de RF que pot alimentar un objectiu passiu (etiqueta) mitjançant inducció electromagnètica entre dues antenes de bucle:

Les antenes de l’emissor i l’etiqueta s’acoblen mitjançant un camp electromagnètic i aquest sistema es pot veure millor com un transformador de nucli d’aire on el lector actua com el bobinatge primari i l’etiqueta com el bobinatge secundari: el corrent altern que passa pel principal bobina (emissor) indueix un camp a l'aire, induint corrent a la bobina secundària (etiqueta). L'etiqueta pot utilitzar el corrent del camp per alimentar-se: en aquest cas, no es necessita cap bateria per accedir-hi, ni en mode de lectura ni d'escriptura. El xip d’etiqueta NFC obté tota l’energia necessària per funcionar des del camp magnètic generat pel lector a través de la seva antena de bucle.

On s’utilitza l’NFC?

NFC és una tecnologia en creixement amb la necessitat de connectar sense fils dispositius electrònics. NFC s’ha integrat àmpliament als telèfons intel·ligents per interactuar amb dispositius físics compatibles amb NFC i oferir nous serveis com el pagament sense contacte.

Com que les etiquetes NFC no necessiten integrar una font d’alimentació perquè poden ser alimentades per l’energia emesa pel lector, poden adoptar factors de forma molt senzilles com ara etiquetes sense alimentar, adhesius, targetes o fins i tot anells.

M'ha agradat molt el fet que les etiquetes NFC no incorporin piles de botons contaminants perquè funcionin, sinó que només utilitzen l'energia del transmissor.

Pas 3: el xip NFC

IC NFC

El xip NFC és el cor de la targeta de presentació.

El meu requisit era:

• un petit paquet SMD
• suficient memòria per a un enllaç al meu perfil de LinkedIn
• mòdul de captació d'energia incrustat

Després de comparar diversos mòduls NFC, vaig optar per l’IC NTAG NT3H1101 de NXP. Segons la seva fitxa tècnica:

"El NTAG I2C és el primer producte de la família NTAG de NXP que ofereix interfícies sense contacte i de contacte (vegeu la figura 1). A més de la interfície sense contacte compatible amb el fòrum NFC passiu, l'IC presenta una interfície de contacte I2C, que pot comunicar-se amb un microcontrolador si el NTAG I2C s'alimenta d'una font d'alimentació externa. Un SRAM addicional extern alimentat mapat a la memòria permet una transferència ràpida de dades entre les interfícies RF i I2C i viceversa, sense les limitacions del cicle d'escriptura de la memòria EEPROM. Les característiques del producte NTAG I2C un pin de detecció de camp configurable, que proporciona un activador a un dispositiu extern en funció de les activitats de la interfície de RF. El producte NTAG I2C també pot subministrar energia a dispositius externs (de baixa potència) (per exemple, un microcontrolador) a través dels circuits incorporats de captació d'energia."

Pas 4: càlcul de la inductància de l’antena

Per comunicar-se i alimentar-se, una etiqueta NFC ha de tenir una antena. El procediment de disseny de l'antena comença amb el model equivalent del xip NFC i la seva antena de bucle:

on:

• Voc és la tensió de circuit obert induïda pel camp magnètic a l'antena de bucle
• Ra és la resistència equivalent de l'antena de bucle
• La és la inductància equivalent de l'antena de bucle
• Rs és la resistència equivalent en sèrie del xip NFC
• Cs és la capacitat de sintonització equivalent en sèrie del xip NFC

L'antena pot ser descrita per un inductor La amb una resistència de pèrdua Ra molt petita. Quan l'emissor indueix un camp magnètic a l'antena de bucle, s'hi indueix un corrent i apareix una tensió de circuit obert Voc als seus terminals. El xip NFC es pot descriure mitjançant una resistència d’entrada Rs i un condensador d’afinació Cs incorporat.

Les resistències de la sèrie Ra i Rs se sumen per a l'últim model equivalent del circuit format pel circuit integrat NFC i la seva antena de bucle:

La resistència IC NFC Rs juntament amb la resistència Ra de l’antena i el condensador incorporat Cs formen un circuit ressonant RLC amb l’inductor La de l’antena. Més informació sobre circuits de ressonància RLC s’explica als tutorials d’electrònica en línia.

La freqüència de ressonància d’un circuit RLC en sèrie ve donada per la fórmula:

on:

• f és la freqüència de ressonància (Hz)
• L és la inductància equivalent del circuit (H)
• C és la capacitat equivalent del circuit (F)

L'únic paràmetre desconegut de l'equació és el valor de la inductància L. Aquest està tan aïllat per poder calcular-lo:

Sabent que la freqüència de funcionament NFC és de 13, 56 MHz i que el condensador de sintonització NT3H1101 és de 50 pF, es calcula la inductància L:

Per tal de ressonar a la freqüència NFC, l’antena de la targeta de visita del PCB ha de tenir una inductància total de 2, 75 μH.

Pas 5: Definició de la forma de l'antena: càlculs geomètrics (primer mètode)

És possible dissenyar una antena de bucle en un PCB amb una inductància específica i ha de respectar les restriccions geomètriques. Una antena pot adoptar diverses formes: rectangular, quadrada, rodona, hexagonal o fins i tot octogonal. Per a cada forma correspon una fórmula específica que dóna la inductància equivalent en funció de la mida, el nombre de voltes, l'amplada de les vies, el gruix del coure i molts altres paràmetres …

Per al disseny de la meva targeta de visita, vaig optar per utilitzar una antena rectangular la geometria de la qual sigui la següent:

on:

• a0 i b0 són les dimensions globals de l'antena (m)
• aavg & bavg són les dimensions mitjanes de l'antena (m)
• t és el gruix de la pista (m)
• w és l'amplada de la pista (m)
• g és la bretxa entre les vies (m)
• Nant és el nombre de voltes
• d és el diàmetre equivalent de la via (m)

Per a aquesta geometria específica, la inductància equivalent Lant ve donada per la fórmula:

on:

Per facilitar els càlculs, vaig crear una eina de càlcul basada en Excel que calcula automàticament la inductància equivalent de l’antena segons els diferents paràmetres geomètrics. Aquest fitxer em va estalviar molt de temps i esforços per trobar la geometria de l’antena adequada.

Tenia una inductància equivalent Lant = 2, 76 μH (prou propera) amb els paràmetres següents:

• a0 = 50 mm
• b0 = 37 mm
• t = 34, 79 µm (1 oz)
• w = 0, 3 mm
• g = 0, 3 mm
• Nant = 5

Si sou al·lèrgic a les matemàtiques i als càlculs, existeixen altres mètodes que es detallen en els passos següents. Encara és important revisar els càlculs per obtenir més informació sobre els conceptes bàsics del disseny d’antenes;)

Pas 6: Definició de la forma de l'antena: calculadores en línia (segon mètode)

Una alternativa als càlculs llargs suportats al pas anterior és l'existència de calculadores de geometria d'antena en línia. Aquestes calculadores són fabricades per particulars o professionals i estan destinades a simplificar el disseny d’antenes. Com que és difícil verificar quins càlculs fan aquestes calculadores en línia, es recomana utilitzar calculadores que mostrin referències i fórmules utilitzades, o bé aquelles desenvolupades per empreses especialitzades.

STMicroelectronics ofereix aquesta calculadora a la seva aplicació en línia eDesignSuite per ajudar els clients a integrar els productes ST al seu circuit. La calculadora és vàlida per a qualsevol aplicació amb tecnologia NFC i, per tant, es pot utilitzar per al xip NFC de NXP.

Amb els valors geomètrics calculats prèviament, la inductància resultant calculada per l'aplicació eDesignSuite és de 2, 88 μH en lloc del valor esperat de 2, 76 μH. Aquesta diferència és sorprenent i posa en dubte el resultat obtingut anteriorment. Es desconeix la fórmula utilitzada per l'aplicació i és impossible fer la comparació amb els càlculs fets anteriorment.

Llavors, quin dels dos mètodes dóna un resultat correcte?

Cap! Les calculadores i fórmules en línia són eines teòriques per aproximar un resultat, però s’han de completar mitjançant simulacions amb programes especialitzats i proves reals per obtenir el resultat esperat.

Afortunadament, les solucions NFC ja simulades i provades s'han posat a disposició dels dissenyadors d'electrònica i són objecte del següent pas …

Pas 7: Definició de la forma de l'antena: antenes de codi obert (tercer mètode)

Per facilitar la implementació dels seus circuits integrats NFC, alguns fabricants proporcionen solucions completes per als dissenyadors d’electrònica, com ara guies de disseny, notes d’aplicacions i fins i tot fitxers EDA.

És el cas de NXP, que ofereix per a la seva gamma de circuits integrats NFC NTAG una guia completa que inclou referències per al disseny d’antenes NFC, una eina de càlcul basada en excel per a antenes rectangulars i rodones, fitxers gerber i Eagle per a diferents classes d’antenes.

Una classe defineix la forma i els factors de mida d'una antena. Com més gran sigui la classe, més petita serà l’antena. Per a l'NFC, NXP recomana utilitzar antenes "Classe 3", "Classe 4", "Classe 5" o "Classe 6".

Vaig decidir centrar-me en antenes rectangulars de classe 4, la mida de les quals semblava adequada per a la meva targeta de presentació, que es trobarà dins d'una zona definida:

• Rectangle exterior: 50 x 27 mm
• Rectangle intern: 35 x 13 mm, centrat en el rectangle extern, amb un radi de cantonada de 3 mm

Per a aquesta classe, NXP proporciona els fitxers Eagle d'una antena fabricada pels seus enginyers i que ja està integrada en alguns dels seus productes. El principal avantatge d’aquest disseny és que ja ha estat simulat, corregit i totalment optimitzat. Els mètodes de prova, correccions i optimitzacions es presenten en un document també disponible.

Vaig decidir utilitzar aquest disseny de codi obert com a model i crear la meva pròpia versió per implementar-lo en una biblioteca dedicada al projecte.

Pas 8: Creació de Eagle Librairy

Per dibuixar el circuit electrònic de la targeta de visita a Eagle, cal tenir els símbols i les empremtes digitals dels components utilitzats. Només faltaven l’antena i l’etiqueta NFC, així que vaig haver de crear-les i incloure-les en una biblioteca per al projecte.

Vaig començar dissenyant l'antena copiant l'antena rectangular de font oberta de classe 4 proporcionada per NXP. Només he canviat la posició dels connectors i els he situat a la longitud de l’antena. Després, he associat el paquet amb el símbol d’una bobina i he afegit les etiquetes de nom i valor:

A continuació, vaig dissenyar el xip NFC utilitzant les dades proporcionades al seu full de dades. He anomenat, dimensionat i ajuntat els 8 pins dels components per formar la petjada d’1, 6 * 1, 6 mm del paquet XQFN8. Finalment, he associat el paquet amb el símbol del NTAG i he afegit les etiquetes de nom i valor:

Per obtenir més informació sobre les biblioteques Eagle i la creació de components, Autodesk proporciona tutorials al seu lloc web.

Pas 9: esquema

La creació de l’esquema electrònic es fa a EAGLE PCB.

Després d'importar la biblioteca "PCB_BusinessCard.lbr" creada anteriorment, els diferents components electrònics s'afegeixen a l'esquema.

El circuit integrat NFC NT3H1101, l’únic component actiu del circuit, està connectat als components passius mitjançant les descripcions dels seus pins que es donen a la seva fitxa tècnica:

• L'antena de bucle de 2, 75 μH està connectada a pins LA i LB.
• La sortida de captació d'energia VOUT s'utilitza per alimentar el xip NFC i, per tant, està connectada al seu pin VCC.
• Es connecta un condensador de 220 nF entre VOUT i VSS per garantir el funcionament durant la comunicació de RF.
• Finalment, el LED i la seva resistència de sèrie són alimentats per VOUT.

El valor de la resistència del LED es calcula amb la llei d’ohm segons els paràmetres del LED i la tensió d’alimentació:

on:

• R és la resistència (Ω)
• Vcc és tensió d'alimentació (V)
• Vled és el voltatge frontal LED (V)
• Iled és el corrent directe del LED (A)

Pas 10: Disseny de PCB: cara inferior

Per al disseny de la meva targeta de presentació, volia aconseguir una cosa sòbria, però que pugui demostrar l’inventiva que sóc a la vida i sempre amb una idea nova en ment. Vaig triar el disseny de la bombeta incandescent, símbol d’una nova idea la llum de la qual pot il·luminar les zones grises d’un problema. També em va agradar el fet que un reclutador pogués associar fàcilment el meu perfil de LinkedIn que apareixia al telèfon amb una nova bona idea per a la seva empresa.

Vaig començar dissenyant una bombeta radiant al programari de dibuix vectorial Inkscape. El dibuix s’exporta en dos fitxers BitMap, el primer només conté la bombeta i el segon només els rajos de llum.

De tornada a Eagle, he utilitzat l'import-bmp ULP per importar les imatges BitMap generades per Inkscape a un dibuix Eagle. Aquest ULP genera un fitxer SCRIPT que dibuixa petits rectangles de píxels successius amb el mateix color que combinats, recreen la imatge.

• El disseny de la bombeta s’importa a la 22a capa "bPlace" i apareixerà a la serigrafia del PCB en blanc, a sobre de la màscara de soldadura negra.
• El dibuix dels raigs de llum s’importa a la capa inferior “Part inferior” i es considerarà com una pista de coure coberta per la màscara de soldadura negra.

L'ús de la capa de coure per a una imatge permet jugar amb el gruix del PCB i, per tant, crear efectes de textura i color que normalment són impossibles en un PCB. Les taules artístiques es poden fer amb aquests trucs i m'he inspirat molt en alguns projectes d'art PCB.

Finalment, vaig dibuixar els contorns del circuit i vaig afegir el meu lema "Sempre una idea nova". a la capa 22 "bPlace".

Pas 11: Disseny de PCB: cara superior

Com que la cara superior del tauler no té components, vaig ser lliure de trobar una manera elegant de marcar la meva informació de contacte clàssica: cognom, nom, títol, correu electrònic i número de telèfon.

Un cop més, vaig jugar amb les diferents capes del PCB: vaig començar definint un pla de terra parcial. Després, he importat un text que contenia la meva informació de contacte a la capa número 29 "tStop", que controla la màscara de soldadura de la cara superior. La superposició del pla de terra i del text a la capa "tStop" fa que les lletres apareguin al pla de terra sense que hi hagi la màscara de soldadura, donant al text un aspecte metàl·lic brillant i agradable.

Però, per què no posar el pla terrestre a tota la targeta de presentació?

La disposició d’una antena inductiva en un PCB requereix una atenció especial ja que les ones de ràdio no poden passar pels metalls i no hi ha d’haver plans de coure per sobre ni per sota de l’antena.

L'exemple següent mostra una bona implementació, on la transferència d'energia i la comunicació entre el lector i l'etiqueta NFC són adequades perquè no hi ha plans de coure que se superposin a l'antena.

L'exemple següent mostra una mala implementació, on el flux electromagnètic no pot fluir a través de l'antena. El pla de terra d’un costat del PCB bloqueja la transferència d’energia entre el lector i l’antena de l’etiqueta NFC:

Pas 12: enrutament de PCB

Vaig començar col·locant tots els diferents components a la cara inferior del PCB.

El LED es col·loca al filament de la bombeta i els altres components es disposen de la manera més discreta possible a la base de la bombeta.

Els cables que connecten els diferents components passius entre si o amb l'etiqueta NFC es col·loquen preferentment sota les línies que dibuixen la bombeta per motius estètics.

Finalment, l’antena es col·loca a la part inferior del circuit, al voltant del lema, i es connecta al circuit integrat NFC mitjançant dos cables prims.

El disseny del PCB ja està acabat.

Pas 13: generació dels fitxers Gerber

Els fitxers Gerber són el fitxer estàndard utilitzat pel programari de la indústria de les plaques de circuits impresos per descriure les imatges del PCB: capes de coure, màscara de soldadura, llegenda, etc.

Tant si decidiu fabricar el vostre PCB a casa com si confieu el procés de fabricació a un professional, és essencial generar els fitxers Gerber a partir del PCB fabricat prèviament a Eagle.

Exportar fitxers Gerber des de Eagle és molt senzill amb el processador CAM integrat: he utilitzat el fitxer CAM per a PCB de 2 capes de Seeed Fusion que contenen tots els paràmetres utilitzats per aquest fabricant i molts altres. Podeu trobar més informació sobre la generació Gerber amb aquest fitxer al lloc web de Seeed.

El processador CAM genera un fitxer.zip "NFC_BusinessCard.zip" que conté 10 fitxers corresponents a les capes següents del PCB de la targeta de presentació NFC:

Extensió	Capa
NFC_BusinessCard. GBL	Coure inferior
NFC_BusinessCard. GBO	Serigrafia inferior
NFC_BusinessCard. GBP	Pasta de soldadura inferior
NFC_BusinessCard. GBS	Soldermask inferior
NFC_BusinessCard. GML	Capa de molí
NFC_BusinessCard. GTL	Coure superior
NFC_BusinessCard. GTO	Serigrafia superior
NFC_BusinessCard. GTP	Pasta de soldadura superior
NFC_BusinessCard. GTS	Top Soldermask
NFC_BusinessCard. TXT	Fitxer de trepant

Per assegurar-me que el PCB es veurà exactament com volia, vaig penjar els fitxers Gerber al visor Gerber en línia d'EasyEDA. Vaig canviar el tema a negre i l’acabat superficial a plata per visualitzar el disseny final després de la fabricació.

Estava molt content del resultat i vaig decidir continuar amb el pas de fabricació …

Pas 14: Ordenar els PCB

Com que volia un acabat de qualitat per a les meves targetes de visita, vaig confiar el procés de fabricació a un professional.

Ara molts fabricants de PCB ofereixen preus molt competitius: SeeedStudio, Elecrow, PCBWay i molts altres … Consell: per comparar preus i serveis oferts per diferents fabricants de PCB, aconsello utilitzar el lloc web PCB Shopper, que em sembla molt útil.

Per a la fabricació de les meves targetes de visita, vaig tenir en compte un detall important: molts fabricants de PCB es permeten marcar el número de comanda a la serigrafia de PCB. Aquest nombre, encara que petit, és molest sobretot quan el PCB ha de ser estètic. Per exemple, vaig tenir aquesta mala sorpresa pels meus arbres de Nadal de PCB de $ 1, demanats a SeeedStudio.

Per experiència, sabia que Elecrow no tenia aquest mal hàbit i, per tant, vaig decidir confiar la fabricació de les meves targetes a aquest fabricant i vaig demanar 10 targetes de visita per 4,9 dòlars amb la configuració següent:

• Capes: 2 capes
• Dimensions: 54 * 86 mm
• Disseny de PCB diferent: 1
• Gruix del PCB: 0, 6 mm (el més prim disponible)
• Color PCB: negre
• Acabat superficial: HASL
• Forat Castellat: No
• Pes de coure: 1 oz (segons la fórmula d'inductància de l'antena)

Dues setmanes després, vaig rebre els meus PCBs perfectament fets i sense cap número de comanda molest marcat a la serigrafia. Fins ara està bé, és hora de soldar aquests taulers.

Pas 15: Soldar el xip NFC

Premi dels Jutges al Concurs de PCB