PCB-visitekaartje met NFC: 18 stappen (met afbeeldingen)

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-30 11:17

Toen ik aan het einde van mijn studie kwam, moest ik onlangs op zoek naar een stage van zes maanden op het gebied van elektrotechniek. Om indruk te maken en mijn kansen om te worden aangeworven in het bedrijf van mijn dromen zo groot mogelijk te maken, kwam ik op het idee om mijn eigen visitekaartje te maken. Ik wilde iets unieks, nuttigs maken en in staat zijn om mijn ontwerpvaardigheden voor elektronische circuits te demonstreren aan wie ik het zal overhandigen.

Drie jaar geleden vond ik tijdens het bladeren door Instructables een zeer interessant project van Joep1986, getiteld "Digital Business Card With NFC". Dit project omvatte het inbedden van een NFC-tag in een papieren visitekaartje om contactgegevens te delen met een telefoon die is uitgerust met NFC-technologie. Ik vond dit project erg inspirerend en ik dacht dat ik de generieke NFC-tag zou vervangen door een aangepast circuit van mijn uitvinding.

Zo kwam ik op het idee om mijn eigen visitekaartje op een printplaat te maken, waarmee ik in een oogwenk mijn LinkedIn-profiel op de smartphone van een recruiter kon versturen met behulp van NFC-technologie.

Deze Instructable behandelt elke stap die ik volgde om mijn PCB-visitekaartje met NFC voor te stellen, te ontwerpen en te maken, van de berekeningen van de antenneparameter tot de NFC-chipprogrammering via het gestructureerde PCB-ontwerp.

Stap 1: BOM, benodigde tools en vaardigheden

Je zal nodig hebben:

Noodzakelijke hulpmiddelen:

• soldeerbout
• hete lucht herbewerkingsgereedschap
• soldeerpasta
• soldeer flux
• Soldeerdraad
• pincet met lange neus
• cross-lock pincet
• isopropylalcohol
• een Q-tip
• een tandenstoker
• een telefoon met NFC

Optionele (maar handige) tools:

• Rookafzuiger
• Prachtig glas

Vaardigheden:

SMD-soldeervaardigheden

Stuklijst:

onderdeel	Pakket	Verwijzing	Hoeveelheid	Leverancier
NFC-chip 1kb	XQFN-8	NT3H1101W0FHKH	1	Mouser
Gele LED	0805	APT2012SYCK/J3-PRV	1	Mouser
47 weerstand	0603	CRCW060347R0FKEAC	1	Mouser
220 nF condensator	0603	GRM188R70J224KA88D	1	Mouser
PCB	-	-	1	Elektrisch

Stap 2: De NFC-technologie

Wat is NFC?

NFC is een acroniem voor Near Field Communication. Het is een korteafstandsradiotechnologie die communicatie mogelijk maakt tussen apparaten die dicht bij elkaar worden gehouden (< 10 cm). NFC-systemen zijn gebaseerd op traditionele High Frequency (HF) RFID, werkend op 13, 56 MHz.

Momenteel ondersteunt de NFC-standaard verschillende datatransmissiesnelheden tot 424 kbit/s. Het principemechanisme van NFC-communicatie tussen twee apparaten is hetzelfde als traditionele 13, 56 MHz RFID, waarbij er zowel een master als een slave is. De master wordt de zender of lezer/schrijver genoemd en de slaaf is een tag of een kaart.

Hoe werkt het ?

Bij NFC zijn altijd een initiator en een doel betrokken: de initiator (emitter) genereert actief een RF-veld dat een passief doel (tag) kan voeden met behulp van elektromagnetische inductie tussen twee lusantennes:

De antennes van de zender en de tag zijn gekoppeld via een elektromagnetisch veld en dit systeem kan het best worden gezien als een luchtkerntransformator waarbij de lezer fungeert als de primaire wikkeling en de tag als de secundaire wikkeling: de wisselstroom die door de primaire wikkeling gaat spoel (emitter) wekt een veld op in de lucht en induceert stroom in de secundaire spoel (tag). De tag kan de stroom van het veld gebruiken om zichzelf van stroom te voorzien: in dit geval is er geen batterij nodig om toegang te krijgen, noch in lees- noch in schrijfmodus. De NFC-tagchip haalt al het benodigde vermogen om te werken uit het magnetische veld dat door de lezer wordt gegenereerd via de lusantenne.

Waar wordt NFC gebruikt?

NFC is een groeiende technologie waarbij elektronische apparaten draadloos met elkaar moeten worden verbonden. NFC is op grote schaal geïntegreerd in smartphones om te communiceren met NFC-compatibele fysieke apparaten en om nieuwe diensten te bieden, zoals contactloos betalen.

Aangezien NFC-tags geen stroombron hoeven te integreren omdat ze kunnen worden gevoed door de energie die door de lezer wordt uitgestraald, kunnen ze zeer eenvoudige vormfactoren aannemen, zoals niet-gevoede tags, stickers, kaarten of zelfs ringen.

Ik vond het erg leuk dat de NFC-tags geen vervuilende knoopcellen insluiten om te werken, maar in plaats daarvan alleen de energie van de zender gebruiken.

Stap 3: De NFC-chip

NFC-IC

De NFC-chip is het hart van het visitekaartje.

Mijn eis was:

• een klein SMD-pakket
• genoeg geheugen voor een link naar mijn LinkedIn profiel
• ingebouwde module voor het oogsten van energie

Na het vergelijken van meerdere NFC modules heb ik gekozen voor de NTAG NT3H1101 IC van NXP. Volgens zijn datasheet:

"De NTAG I2C is het eerste product van de NTAG-familie van NXP dat zowel contactloze als contactinterfaces biedt (zie afbeelding 1). Naast de passieve NFC Forum-compatibele contactloze interface, beschikt de IC over een I2C-contactinterface, die kan communiceren met een microcontroller als de NTAG I2C wordt gevoed door een externe voeding. Een extra extern gevoed SRAM dat in het geheugen is toegewezen, zorgt voor een snelle gegevensoverdracht tussen de RF- en I2C-interfaces en vice versa, zonder de schrijfcyclusbeperkingen van het EEPROM-geheugen. De productkenmerken van de NTAG I2C een configureerbare velddetectiepin, die een trigger geeft aan een extern apparaat, afhankelijk van de activiteiten op de RF-interface. Het NTAG I2C-product kan ook stroom leveren aan externe (low-power) apparaten (bijv. een microcontroller) via de ingebouwde circuits voor energiewinning."

Stap 4: Berekening van de antenne-inductantie

Om te communiceren en te worden gevoed, moet een NFC-tag een antenne hebben. De procedure voor het ontwerpen van de antenne begint met het equivalente model van de NFC-chip en de lusantenne:

waar:

• Voc is de nullastspanning die wordt geïnduceerd door het magnetische veld in de lusantenne
• Ra is de equivalente weerstand van de lusantenne
• La is de equivalente inductantie van de lusantenne
• Rs is de seriële equivalente weerstand van de NFC-chip
• Cs is de seriële equivalente afstemcapaciteit van de NFC-chip

De antenne kan worden beschreven door een spoel La met een zeer kleine verliesweerstand Ra. Wanneer een magnetisch veld wordt geïnduceerd door de emitter in de lusantenne, wordt daarin een stroom geïnduceerd en verschijnt een nullastspanning Voc op de klemmen. De NFC-chip kan worden beschreven door een ingangsweerstand Rs en een ingebouwde afstemcondensator Cs.

De serieweerstanden Ra en Rs worden opgeteld voor het laatste equivalente model van het circuit dat bestaat uit de NFC-geïntegreerde schakeling en de lusantenne:

De NFC IC-weerstand Rs vormt samen met de antenneweerstand Ra en de ingebouwde condensator Cs een resonantiekring RLC met de spoel La van de antenne. Meer informatie over RLC-resonantiecircuits wordt uitgelegd in online elektronica-tutorials.

De resonantiefrequentie van een serie RLC-schakeling wordt gegeven door de formule:

waar:

• f is de resonantiefrequentie (Hz)
• L is de equivalente inductantie van het circuit (H)
• C is de equivalente capaciteit van het circuit (F)

De enige onbekende parameter van de vergelijking is de waarde van de inductantie L. Deze is zo geïsoleerd om te worden berekend:

Wetende dat de NFC-werkfrequentie 13, 56 MHz is en dat de afstemcondensator van de NT3H1101 50 pF is, wordt de inductantie L berekend:

Om op de NFC-frequentie te kunnen resoneren, moet de antenne van het PCB-visitekaartje een totale inductantie van 2,75 μH hebben.

Stap 5: De antennevorm definiëren: geometrische berekeningen (1e methode)

Het ontwerpen van een lusantenne op een PCB met een specifieke inductantie is mogelijk en moet rekening houden met geometrische beperkingen. Een antenne kan verschillende vormen aannemen: rechthoekig, vierkant, rond, zeshoekig of zelfs achthoekig. Voor elke vorm komt een specifieke formule overeen die de equivalente inductantie geeft, afhankelijk van de grootte, het aantal windingen, de breedte van de sporen, de dikte van het koper en vele andere parameters…

Voor het ontwerp van mijn visitekaartje heb ik ervoor gekozen om een rechthoekige antenne te gebruiken waarvan de geometrie als volgt is:

waar:

• a0 & b0 zijn de totale afmetingen van de antenne (m)
• aavg & bavg zijn de gemiddelde afmetingen van de antenne (m)
• t is de spoordikte (m)
• w is de spoorbreedte (m)
• g is de opening tussen de sporen (m)
• Nant is het aantal beurten
• d is de equivalente diameter van het spoor (m)

Voor deze specifieke geometrie wordt de equivalente inductantie Lant gegeven door de formule:

waar:

Om berekeningen gemakkelijker te maken, heb ik een op Excel gebaseerde rekentool gemaakt die automatisch de equivalente inductantie van de antenne berekent volgens de verschillende geometrische parameters. Dit bestand heeft me veel tijd en moeite bespaard om de juiste antennegeometrie te vinden.

Ik had een equivalente inductantie Lant = 2, 76 μH (dicht genoeg bij) met de volgende parameters:

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

Als u allergisch bent voor wiskunde en berekeningen, bestaan er andere methoden die in de volgende stappen worden beschreven. Het is nog steeds belangrijk om de berekeningen door te nemen om meer te weten te komen over de basisprincipes van antenne-ontwerp;)

Stap 6: De antennevorm definiëren: online rekenmachines (2e methode)

Een alternatief voor de lange berekeningen die in de vorige stap zijn gemaakt, is het bestaan van online rekenmachines voor antennegeometrie. Deze rekenmachines zijn gemaakt door particulieren of professionals en zijn bedoeld om het ontwerp van antennes te vereenvoudigen. Aangezien het moeilijk is om te controleren welke berekeningen door deze online rekenmachines worden uitgevoerd, wordt het ten zeerste aanbevolen om rekenmachines te gebruiken die referenties en gebruikte formules weergeven, of die zijn ontwikkeld door gespecialiseerde bedrijven.

STMicroelectronics biedt een dergelijke rekenmachine aan in haar online applicatie eDesignSuite om klanten te helpen ST-producten in hun circuit te integreren. De rekenmachine is geldig voor elke toepassing met NFC-technologie, en kan daarom worden gebruikt voor de NFC-chip van NXP.

Met de eerder berekende geometrische waarden is de resulterende inductantie berekend door de eDesignSuite-toepassing 2, 88 H in plaats van de verwachte waarde van 2, 76 μH. Dit verschil is verrassend en stelt het eerder verkregen resultaat in vraag. De formule die door de applicatie wordt gebruikt, is onbekend en het is onmogelijk om de vergelijking te maken met de eerder gemaakte berekeningen.

Dus, welke van de twee methoden geeft een correct resultaat?

Geen ! Online rekenmachines en formules zijn theoretische hulpmiddelen om een resultaat te benaderen, maar moeten worden aangevuld met simulaties met gespecialiseerde software en echte tests om het verwachte resultaat te verkrijgen.

Gelukkig zijn NFC-oplossingen die al zijn gesimuleerd en getest, beschikbaar gesteld aan elektronica-ontwerpers en zijn het onderwerp van de volgende stap…

Stap 7: De antennevorm definiëren: open source-antennes (3e methode)

Om de implementatie van hun NFC-IC's te vergemakkelijken, bieden sommige fabrikanten complete oplossingen voor elektronica-ontwerpers, zoals ontwerphandleidingen, toepassingsnotities en zelfs EDA-bestanden.

Dit is het geval van NXP, dat voor zijn assortiment NFC-geïntegreerde schakelingen NTAG een complete gids biedt met referenties voor NFC-antenneontwerp, op Excel gebaseerde rekentool voor rechthoekige en ronde antennes, gerber- en Eagle-bestanden voor verschillende antenneklassen.

Een klasse definieert de vorm- en groottefactoren van een antenne. Hoe groter de klasse, hoe kleiner de antenne. Voor de NFC raadt NXP het gebruik van antennes van “Klasse 3”, “Klasse 4”, “Klasse 5” of “Klasse 6” aan.

Ik besloot me te concentreren op rechthoekige antennes van klasse 4, waarvan de grootte geschikt leek voor mijn visitekaartje, die zich binnen een gedefinieerde zone zullen bevinden:

• Externe rechthoek: 50 x 27 mm
• Interne rechthoek: 35 x 13 mm, gecentreerd in de externe rechthoek, met een hoekradius van 3 mm

Voor deze klasse levert NXP de Eagle-bestanden van een antenne die door hun ingenieurs is gemaakt en die al in sommige van hun producten is geïntegreerd. Het grote voordeel van dit ontwerp is dat het al gesimuleerd, gecorrigeerd en volledig geoptimaliseerd is. Testmethoden, correcties en optimalisaties worden gepresenteerd in een eveneens beschikbaar document.

Ik besloot dit open source-ontwerp als model te gebruiken en mijn eigen versie te maken om het te implementeren in een bibliotheek die aan het project is gewijd.

Stap 8: De Eagle-bibliotheek maken

Om het elektronische circuit van het visitekaartje op Eagle te tekenen, is het noodzakelijk om de symbolen en vingerafdrukken van de gebruikte componenten te hebben. Alleen de antenne en de NFC-tag ontbraken, dus ik moest ze maken en opnemen in een bibliotheek voor het project.

Ik begon met het ontwerpen van de antenne door de rechthoekige open-source klasse 4 antenne van NXP te kopiëren. Ik veranderde alleen de positie van de connectoren en plaatste ze op de lengte van de antenne. Vervolgens associeerde ik het pakket met het symbool van een spoel en voegde de naam en waardelabels toe:

Vervolgens heb ik de NFC-chip ontworpen met behulp van de gegevens in de datasheet. Ik heb de 8 pinnen van de componenten benoemd, op maat gemaakt en samengevoegd om de 1, 6 * 1, 6 mm-voetafdruk van het XQFN8-pakket te vormen. Ten slotte heb ik het pakket gekoppeld aan het symbool van de NTAG en de naam- en waardelabels toegevoegd:

Voor meer informatie over Eagle-bibliotheken en het maken van componenten, biedt Autodesk zelfstudies op zijn website.

Stap 9: Schematisch

Het maken van het elektronische schema gebeurt op EAGLE PCB.

Na het importeren van de eerder gemaakte bibliotheek "PCB_BusinessCard.lbr", worden de verschillende elektronische componenten aan het schema toegevoegd.

Het geïntegreerde circuit NFC NT3H1101, het enige actieve onderdeel van het circuit, is verbonden met de passieve componenten met behulp van de beschrijvingen van de pinnen in het gegevensblad:

• De lusantenne van 2, 75 μH is verbonden met LA- en LB-pinnen.
• De energieoogstuitgang VOUT wordt gebruikt om de NFC-chip van stroom te voorzien en is daarom verbonden met de VCC-pin.
• Tussen VOUT en VSS is een condensator van 220 nF aangesloten om de werking tijdens RF-communicatie te garanderen.
• Ten slotte worden de LED en zijn serieweerstand gevoed door VOUT.

De waarde van de LED-weerstand wordt berekend met de wet van ohm volgens de parameters van de LED en de voedingsspanning:

waar:

• R is de weerstand (Ω)
• Vcc is voedingsspanning (V)
• Vled is de LED-voorwaartse spanning (V)
• Iled is de LED voorwaartse stroom (A)

Stap 10: PCB-ontwerp: ondervlak

Voor het ontwerp van mijn visitekaartje wilde ik iets nuchters bereiken, maar dat kan laten zien hoe inventief ik ben in het leven en altijd met een nieuw idee in gedachten. Ik koos voor het ontwerp van de gloeilamp, symbool van een nieuw idee waarvan het licht de grijze gebieden van een probleem kan verlichten. Ik vond het ook leuk dat een recruiter mijn LinkedIn-profiel op zijn telefoon gemakkelijk kon associëren met een nieuw goed idee voor zijn bedrijf.

Ik begon met het ontwerpen van een stralende gloeilamp op de vectortekensoftware Inkscape. De tekening wordt geëxporteerd in twee BitMap-bestanden, de eerste bevat alleen de lamp en de tweede alleen de lichtstralen.

Terug naar Eagle, ik gebruikte de import-bmp ULP om de door Inkscape gegenereerde BitMap-afbeeldingen in een Eagle-tekening te importeren. Deze ULP genereert een SCRIPT-bestand dat kleine rechthoeken van opeenvolgende pixels met identieke kleuren tekent, die samen de afbeelding opnieuw creëren.

• Het ontwerp van de gloeilamp wordt geïmporteerd op de 22e laag "bPlace" en verschijnt op de zeefdruk van de print in het wit, boven het zwarte soldeermasker.
• De tekening van de lichtstralen wordt geïmporteerd op de 16e laag "Bottom" en wordt beschouwd als een koperen spoor bedekt door het zwarte soldeermasker.

Het gebruik van de koperlaag voor een afbeelding maakt het mogelijk om te spelen met de dikte van de printplaat en zo textuur- en kleureffecten te creëren die normaal gesproken onmogelijk zijn op een printplaat. Artistieke borden kunnen met dergelijke trucs worden gedaan en ik ben zeer geïnspireerd door enkele pcb-art-projecten.

Ten slotte heb ik de contouren van het circuit getekend en mijn motto "Altijd een nieuw idee" toegevoegd. op de 22e laag "bPlace".

Stap 11: PCB-ontwerp: bovenzijde

Omdat de bovenkant van het bord geen onderdelen bevat, was ik vrij om een elegante manier te vinden om mijn klassieke contactgegevens te markeren: achternaam, voornaam, titel, e-mail en telefoonnummer.

Opnieuw speelde ik met de verschillende lagen van de printplaat: ik begon met het definiëren van een gedeeltelijk grondvlak. Vervolgens importeerde ik een tekst met mijn contactgegevens op de 29e laag "tStop", die het soldeermasker voor het bovenvlak regelt. De superpositie van het grondvlak en de tekst op de "tStop" -laag zorgt ervoor dat de letters op het grondvlak verschijnen zonder het soldeermasker erop, waardoor de tekst een mooi glanzend metaalachtig aspect krijgt.

Maar waarom zet u het grondvlak niet op het hele visitekaartje?

De lay-out van een inductieve antenne op een PCB vereist speciale aandacht aangezien radiogolven niet door metalen kunnen gaan en er mogen geen koperen vlakken boven of onder de antenne zijn.

Het volgende voorbeeld toont een goede implementatie, waarbij de energieoverdracht en de communicatie tussen de lezer en de NFC-tag geschikt zijn omdat er geen koperen vlakken de antenne overlappen.

Het volgende voorbeeld toont een slechte implementatie, waarbij de elektromagnetische flux niet door de antenne kan stromen. Het massavlak aan één kant van de printplaat blokkeert de energieoverdracht tussen de lezer en de NFC-tagantenne:

Stap 12: PCB-routering

Ik begon met het plaatsen van alle verschillende componenten op de onderkant van de PCB.

De LED wordt op de gloeilamp geplaatst en de andere componenten zijn zo discreet mogelijk aan de voet van de gloeilamp geplaatst.

De draden die de verschillende passieve componenten met elkaar of met de NFC-tag verbinden, worden om esthetische redenen bij voorkeur onder de lijnen geplaatst die de lamp tekenen.

Ten slotte wordt de antenne onderaan het circuit geplaatst, rond het motto, en via twee dunne draden verbonden met het NFC-geïntegreerde circuit.

Het PCB-ontwerp is nu klaar!

Stap 13: De Gerber-bestanden genereren

Gerber-bestanden zijn het standaardbestand dat wordt gebruikt door software voor de printplaatindustrie om de PCB-afbeeldingen te beschrijven: koperlagen, soldeermasker, legende, enz …

Of u er nu voor kiest om uw PCB thuis te vervaardigen of het fabricageproces aan een professional toevertrouwt, het is essentieel om de Gerber-bestanden te genereren van de PCB die eerder op Eagle is gemaakt.

Het exporteren van Gerber-bestanden vanuit Eagle is heel eenvoudig met behulp van de ingebouwde CAM-processor: ik heb het CAM-bestand gebruikt voor Seeed Fusion 2-lagen PCB die alle instellingen bevat die door deze fabrikant en vele anderen worden gebruikt. Meer informatie over Gerber generatie met dit bestand is te vinden op de website van Seeed.

De CAM-processor genereert een.zip-bestand "NFC_BusinessCard.zip" met 10 bestanden die overeenkomen met de volgende lagen van de NFC Business Card-PCB:

Verlenging	Laag
NFC_BusinessCard. GBL	Bodem Koper
NFC_BusinessCard. GBO	Bodem zeefdruk
NFC_BusinessCard. GBP	Bodemsoldeerpasta
NFC_BusinessCard. GBS	Bodem Soldeermasker
NFC_BusinessCard. GML	Molenlaag
NFC_BusinessCard. GTL	Bovenste koper
NFC_BusinessCard. GTO	Top Zeefdruk
NFC_BusinessCard. GTP	Top soldeerpasta
NFC_BusinessCard. GTS	Top Soldeermasker
NFC_BusinessCard. TXT	Boorbestand

Om er zeker van te zijn dat de print er precies zo uitziet als ik wilde, heb ik de Gerber-bestanden geüpload in de online Gerber-viewer van EasyEDA. Ik veranderde het thema in zwart en de oppervlakteafwerking in zilver om het uiteindelijke ontwerp na fabricage te visualiseren.

Ik was erg blij met het resultaat en besloot door te gaan met de productiestap…

Stap 14: De printplaten bestellen

Omdat ik een hoogwaardige afwerking van mijn visitekaartjes wilde, vertrouwde ik het productieproces toe aan een professional.

Veel PCB-fabrikanten bieden nu zeer concurrerende prijzen: SeeedStudio, Elecrow, PCBWay en vele anderen … Tip: Om prijzen en diensten van verschillende PCB-fabrikanten te vergelijken, raad ik aan om de PCB Shopper-website te gebruiken die ik erg handig vind.

Bij het vervaardigen van mijn visitekaartjes heb ik rekening gehouden met een belangrijk detail: veel PCB-fabrikanten laten zich het ordernummer op de PCB-zeefdruk markeren. Dit aantal, hoewel klein, is vervelend, vooral wanneer de PCB esthetisch moet zijn. Ik had bijvoorbeeld deze onaangename verrassing voor mijn $ 1 PCB-kerstbomen, besteld bij SeeedStudio.

Uit ervaring wist ik dat Elecrow deze slechte gewoonte niet had en dus besloot ik de fabricage van mijn kaarten aan deze fabrikant toe te vertrouwen en bestelde ik 10 visitekaartjes voor $ 4,9 met de volgende instellingen:

• Lagen: 2 lagen
• Afmetingen: 54*86 mm
• Verschillende PCB-ontwerp: 1
• PCB-dikte: 0,6 mm (de dunste beschikbaar)
• PCB-kleur: zwart
• Oppervlakteafwerking: HASL
• Gegoten Gat: Nee
• Kopergewicht: 1oz (zoals gekozen in de formule van de antenne-inductie)

Twee weken later ontving ik mijn PCB's perfect gemaakt en zonder enig irritant ordernummer op de zeefdruk. So far so good, tijd om deze boards te solderen!

Stap 15: De NFC-chip solderen

Juryprijs in de PCB-wedstrijd