2017年11月15日

リフローめも

電子工作をやりだして長いのだが、はんだ付けに自信がない。最近は目も怪しくなってきてますます自信がなくなってきている。今は USB 顕微鏡 があるので確認ができるのだけが救い。

そんな状態でありながら、QFN など足のないパッケージにまで手を出して、積んでたり。一応 サイドに電極があるタイプのみを選択しているが、0.65mm ピッチぐらいがなんとか。0.5mm ピッチになると 無理そうなかんじ。しかし、0.4mm ピッチなんてのも 積んでる中にはある。あと サイドに電極がないタイプのクリスタルも苦手。

リフローなら簡単なのだろうか? なんて常々思ったりして。ただ、クリームはんだが厄介。まず管理がめんどうそう。フラックスが蒸発したりするので、すぐ使わないといけない。あと、ステンシルで刷り込むとか 相当に面倒な話に思える。

それ以上にリフロー炉をどうやって用意するのか? ホットプレート やら オーブントースターやら 食品用のものを使うわけだが、食品用と共用にするわけにもいかず、専用のものを用意しないといけない。だが、買ったところで1回やって失敗してヤメとなると目もあてられない。

というわけで、あきらめていたわけだが、やはり1回ぐらいはトライしてみたい。検討だけはしてみようかと。




リフロー炉について

かつては、オーブントースターを改造するというのが流行したように思う。改造キットがあったりもした。が、温度ムラができたりして難しいものらしい。今では、熱風を循環させる コンベクション・オーブンが出回っているので、これをベースにすると改善されるらしい。

その他、熱風の方がメインになるノンオイルフライヤーというものもある。ひとつ持っているが、このタイプは温度管理がすばらしい。しかし、プラスチック筐体のものは、最大温度が 200度あたりで、ちょっと低い。また、扉でないものは、出し入れの際ショックを与えて部品がずれる心配がある。

泉精機製作所 CA-OT56-K

コンベクション・オーブンで最も安価なもの。 温度設定は、230度まで可能。空気は循環させるのだから、ヒーターの熱を直接当てないようにするだけで、使えそうな印象。

安価なものには、シロカ crossline SCO-XXX というものもある。こちらは、中古も。

本格的にやるなら、こういうのをベースに 温度・時間管理をするコントローラを付けて改造するのが良いと思われる。しかし、やってみたいだけなのである。他の方法はないのだろうか?

ホットプレートでも可能である。ググれば記事が見つかる。しかし買ってまでやるなら、コンベクション・オーブンの方が成功する確率は高そうだ。

さて温度管理ができるものとして、他に卓上IHコンロがある。揚げ物用の温度設定が普通あるが、一般に最高温度は 200℃とかで低め。だが持っているものは、250℃までの「焼肉モード」設定がある。これにフライパン+蓋で良いのでは? とか思っていたところに、ダイソーで スクエアスキレットというものを見つけた。長方形で 長辺(内寸)は 100mm ちょっと。短辺は、80mm 弱で 最近作った DUO-DISK がぎりぎり収まらない。が、だいたいの基板は収まる大きさである。蓋はないが、2つ重ねることで蓋にできるとのこと。

値段も安いが、場所を取らないので 1回限りになっても困らない。これでようやく試してみる気になってきた。




さて、次の問題。クリームはんだ。あんまり使いたくないと思っていたのだが、ひとつ記事をみつけた。

予備はんだをしてリフローするというものである。見つけた記事では、ハンダを盛った後、部品を置きフラックスを塗っている。他の方法としては、適当でも とにかく手はんだして、リフローで綺麗にするみたいなことが出来るかも知れない。フラックスをどういう風にするのか --- なんかコツはありそうだが、敷居は低そうである。

また、クリームはんだを使うにしても、ステンシルなしという方法も考えられる。注射器タイプのクリームはんだも販売されていて、先の部分も様々な太さの針と交換出来るものがある。これは、直接 盛るということだろうか? これまたコツがいりそうだが、2012,1608 の CR 程度ならば 苦もなく出来るかも知れない。ピッチが狭い LSI などは、チップを載せるのに苦労するはずで、ステンシルを使ったからといって必ずうまく出来るというものではないだろう。 予備はんだ作戦の次に試すのは、この方法にしよう。

    サンハヤト「表面実装部品取付キット SMX-21」を使った 記事を見つけた。

    注射器(シリンジ)タイプで、手はんだ用? どうやら手はんだでも クリームはんだが有用らしい。それはそうと、注射器でうまく行くようだ。

    保存だが、冷蔵庫や冷凍庫で保存する。注意点は、室温に戻してから蓋をあけること。注射器の場合は、使ったまま冷蔵庫や冷凍庫に入れる。針の中のクリームはんだは数週間で固まってしまうらしいが、次に使うときに針を交換すれば良さそう。

    aliexpress だと このショップにいろいろとある。

    50Pcs SMT SMD PCB Solder Paste Adhesive Glue Liquid Dispenser+Dispensing Needle

    注射器と針一式。針は、細すぎるのと太すぎるのは使わない。使った後は捨てるように書いてあるのだが ...


    XG-50

    35g で 注射器 3本に見合いそうな分量。使い切れるような気がしない。保管は、0-10℃ で 製造から 1年 ?

      最初から 注射器に入っている XG-Z40 という製品がある。これが 10cc 25g みたいな。... ということは、XG-50 は 14cc 程度。3本には全然見合わない。


    10ml というのは、多すぎなのかも。3ml のタイプもあるようだ。付けるチップは互換性があるのだろうか?とか思ったんだが、3ml はダイソーで売っていた。チップも互換性があるように見える。--- これで良いのではないか?

      サイズをメモ
      Olive B1.55 2.1
      Amber 1.36 1.8
      Green 0.84 1.27 
      Pink 0.6 0.92  
      Purple 0.51 0.82
      Blue 0.41 0.72
      Orange 0.34 0.64
      Red 0.26 0.52
      Clear 0.21 0.42
      Lavender  0.16 0.3 

      Olive の B1.55 というのは、穴がなく蓋になっている。Amber で吸い上げて、0.5mm 前後を使う作戦でいこう。で、これらは、ダイソーの注射器にフィットする。10ml はいかにも多いので 3ml でやってみる。

      0.5mm が使えるなら、ここで買っておくと良いかも。どう使うにせよ、針だけは使い捨てそうだし。あと細すぎるのは、フタがわりに使えるかも。

    さて、これを注射器にうまく入れることが出来るのだろうか? 粘度が高そう。 吸い上げるしかないだろうから、心配しても仕方がなさそうなんだが、

      やはり・・というか、粘度高すぎで、吸い上げるのが厳しい。3ml の方は、1ml 弱がようやく。そして、クリームはんだが、随分と無駄になった。注射器作戦がうまく行けばの話だが、次回はもうちょっと考えたい。

    シリンジ充填機 だって。へぇー。




基板から部品を外してみる



リフロー可能であれば、外すことも出来るだろう。油で揚げて叩くと部品が外れるというのは聞いたことがある。熱した後、ショックを与えれば良いはずだ。

PAM8403 ボード と MINI-360 から、メインの部品を外す。後で、自作 PCB に乗せ換えてリフローするのだ。

    PAM8403 は、チップを買う気にならないので、外して使う。MINI-360 の方は パーツが欲しいわけではなく、MINI-360 が何故出来が悪いのか探るべく組みなおすのだ。


さて、熱する前に、スクエアスキレットの底に 耐熱の アライミドテープを張る。最初 シリコン加工されたアルミ箔でも敷こうかと思ったのだが、良いものを持ってることに気が付いた。

蓋をせず、スクエアスキレットにおいて、210 ℃に設定し加熱。3 分ほどで 温度に達してピーとなった。
ラジオペンチで部品をつまんだところ簡単に外れた。



    MINI-360 だが、IC の下ちゃんとパッドがある。10uH インダクタは、本来の性能なら余裕があるはずだがどうか?

とにかく、蓋をしなくても簡単にハンダが溶ける温度に達するのは確認できた。リフローでは、120℃とかに一旦予熱し、そこから一気に温度を上げるそうである。少し間をおいて冷却。スキレットは蓄熱するから、冷却が速やかに出来るか怪しい。普通の金属容器で良かったのではないかと思ったり。ステンレスのトレーで良いのかも。

小基板をリフローしてみる




すず 63% 鉛 37%の「共晶はんだ」の融点は 183℃ 。今度は揚げ物モードで試す。揚げ物モードは、160℃〜 200℃。まず温度を 160℃に設定し、しばらく余熱。その後 200℃ に設定しなおす予定。

ちなみに、鉛フリーハンダ(無鉛ハンダ)の 融点は、217℃ とかになる。リフローの温度は 240℃とかのようなので、鉛ハンダのみ揚げ物モードでいけるように思う。

実施


2枚の基板を手はんだで組んだのを 「揚げ物モード」で試してみたのだが、温度がどんどん上がって止まらない。最初に試した「焼肉モード」とは、制御のロジックが違う! はんだが溶けている状態でオフ。



左が before 右が after なのだが、写真では違いがほとんど分からない。

基板から浮いていたパーツが、基板に密着したように思う。あとはんだブリッジでかろうじて繋がっていたところが切れた感じ。ついでに言えば、全体に黄色くなっている。あとで無水アルコールで拭いておこう。

    よおく見ると、部品が 綺麗に収まったところがいくつか。( ダメなのはダメだが。)。次回やるときは、位置をちょいと動かせるなにか --- ピンセットはダメ 、竹串とか? を用意しておこう。

まぁ失敗かな。無駄に熱を加えて壊すリスクを増やしただけかも知れない。しかし得るものはあった。次は、クリームはんだ注射器作戦。注文したものが届かないことには、なにも出来ないが。

QFN に挑戦





外すことは簡単に出来ることが分かったので、PAM8610 モジュールからチップを外して、自作PCB に乗せ換えてみることにした。ダメもとである。

まず PAM8610 モジュールだが、裏のパッドがちゃんとハンダ付けされていないような。すごい適当な設計。

    PAM8610 は、チップも購入可能なのだが、このモジュールの方がチップより安く入手できる。そういえば、MINI-360 も チップとインダクタを買うより安いような。

さて、まずは、PAM8610 だけ載せてみる。ランドは一応予備ハンダをした。あまりハンダが載ったという感じではないのだが、ベタベタとフラックスを塗って置いてみた。目測だがちゃんと載ったように気がしたので、リフロー。

今回は、こげつくようになって使わなくなったフライパン。アライミド・テープを貼って使用。だいたい、3分で 210℃ --- 全然予定どおりではないのだが、それしか出来ない。その後 30 秒ぐらいおいて、オフ。

USB 顕微鏡で見ても、それらしい感じなので、他のパーツを手はんだで付けて、同様に加熱。加熱時間が短いのか、ハンダがうまくなじんでいない。

これが動くかどうかの確認は、ちょっと先になりそうだが、QFN も出来る! という気がしてきた。

    通電する前に、テスト環境を作らないといけない。テスト用のメインのボードを組み立てて、仮組。あとスマホと接続するケーブルの用意。動作が確認できたら、メインのボードに接着剤で張り付けるつもりで、そっちの準備も。

そろそろ、DUO-DISK のパネルに挑戦しようと思う。QFP なので難易度は低いはず。といっても動かせるような気は未だしない。

はじめてのクリームはんだ






(上) 注射器でクリームはんだを盛っていき、部品を配置した。QFP のところは、うまく塗れなかった。拭き取る自信もないし、どうなるか見ておきたいのでこれで行く。
(下) そのままリフロー。210℃に設定し、はんだが溶ける様子をみながら、停止。一見しただけだと、思いのほか綺麗に付いた。QFP の部分だが、きれいにまとまってダマになった。あちこちにツブが残ることを危惧したのだが、こんな感じだと、あのままチップを載せても良かったのかも知れない。

注射器ではんだを盛るのは、CR に関しては難しくはなかった。QFP は見てのとおり。リフローだと綺麗に仕上がるのが嬉しい。

注射器は 3ml の方に、紫のチップを付けたもの。1ml しか入れられていないが、使用した量は、0.1ml 程度。どうもクリームはんだの粘度が高い。注射器に入れるのも苦労するが、基板に盛っていくのも、ちょっとやりにくい。最初から、注射器に入ったタイプ -- XG-Z40 というのがあるので、次は、これを使ってみたい。

さらにリフロー





調子に乗って、DUO-CLOUD のリフローもやってみた。HUB のチップは後回しで、電源をまず確認しないといけない。インダクタも手はんだのつもりなので付けていない。ちょっと IC のほう盛りすぎてブリッジが出来てしまっている。これでも控えめにしたつもりだったのだが、なかなか加減が難しい。

今回もフライパン。スキレットには入らないのだ。やってみたところ、均一には熱が伝わらず、時間差ではんだが溶けていった。加熱時間は全体で 4分ほど。最初に溶け出して、全部がとけるまでは 1分ぐらいだったろうか。

電源は、OK であった。5V x2 と、3.3V , 1.8V を確認。ところで、3.3V,1.8V の PMIC だが、SY8089A を使った。2A 品というオーバースペックだが、10個 $1.60 で結構安いのだ。もっと安いのは、SY8008C (1.2A) 10個 $1.35。 あと、SY8008B (1.0A) 10個 $1.88 SY8009A (1.5A) 10個 $2.00 も互換性がある。

写真

次に、HUB IC を 付けてみた。クリームはんだを付けておいて、位置決めが決まったら、はんだごてで、熱して固定する作戦。作戦自体は良いと思うのだが、位置が決まってない上に、足が曲がってるところが。

2本連続で曲がってるところがあって、使っていない1本を取ってしまった。使っていないピンも多数あるので、なんとかなるような気もするのだが、通電するのが怖い。



卓上 IH コンロについて。

普段つかってるのだが、IH は温度管理が優秀だと思う。また、食品調理用と共用できるので、お勧めだと思うのだが、「揚げ物モード」がうまくいかなかったので、なんでも良いというわけではなさそうなのが難点。

一応持っているものを紹介しておくと、機種は、ツインバード IH焼肉グリル 味わい亭 IH-D935B 。7000円弱だったか安価に買えたのだが、生産終了モデルで、もう入手すらできないかも知れない。

現行品で、250℃まで設定可能なのは、パナソニックの IHホットプレート ぐらいで、KZ-HP1100 あたりが安価。といっても 14000円ぐらい。

他に興味深いのは、ドリテック 卓上IHクッキングヒーター ブラック DI-213BKDI。200℃までだが、1℃単位の温度設定が可能。... というか 温度設定だけが出来る。続きを読む
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2017年11月09日

Sunvell R69



cnx-software.com に Sunvell R69 という Android TV-BOX が紹介されている。この TV-BOX は、allwinner H2 採用で 非常に安価なもの。Gearbest でクーポンを併用すると $19.99 で買えるそうだ。写真は本体だけだが、AC アダプタと 本体より大きな赤外線リモコンが付属する。
コネクタ類は、2面のみ。主に後ろに集中していて、サイドは microSD と 2つ目の USB のみ。こういう所は使い勝手の点で悪くないと思う。

なんでこんなものを取り上げたかというと、OrangePi Zero, Nanopi DUO と、H2(+) 採用のものを取り上げてきたため。記事のコメントのリンクを見ると、既に armbian が対応している。

スペックを見ると

    Memory – 1GB DDR3
    Storage – 8GB flash + micro SD
    Video - HDMI 1.4 , AV port (composite video + stereo audio)
    Network – 10/100M Ethernet, 802.11 b/g/n WiFi (via XR819 chipset)
    USB – 2x USB 2.0 ports
    Power Supply – 5V/2A
    Dimensions – 9 x 9.5 x 1.8 cm

全部入りという感じで、コスパは良い。メモリが 1GB あって flash も付いている点は、ポイントが高い。紹介だけしておく。

    ちなみに、RK3229 採用の A95X R1 も同価格帯の TV-BOX で、同じように紹介されている。しかし、Linux を動かすといった話はさかんではないようだ。Sunvell R69 は、OPi Zero の armbian をベースにしたら、すごく簡単に動かせたのだろう。

    フォーラム見てたら、OPi Zero だけではなく、Beelink X2 など、H3 のイメージファイルとかが起動してしまうらしい。その際に問題になったのが、最大クロック。(後述)




内部写真 (armbian フォーラムより)

思ったよりは、内部のコネクターが多い。4pin のデバッグ用シリアル、隣の 5pin なんだろう? 裏面にはカメラ用と思われるコネクタも(18極だから違うかも)。



左下の QFN-20 のチップは 3 出力の DC-DC コンバーター。取り囲むように 1.5uH が配置されている。1.5uH が使えるということは、2MHz とか相当なスイッチング周波数。ダイオードがないことから同期整流型と分かる。こんなチップがあったんだと感心した。
探してみたが、LTC3569 ? 3mm角で 1.2A + 0.6A + 0.6A 出力。--- ちょっと出力が足りないような気も。

右上の 空きパターンは、おそらく Wifi+BT チップの AP6212 -- QFN44 で アンテナのそばにある。XR819 が使えなかった時用かな? ついでに書いておくと 左の空きパターンの中にあるのが eMMC Flash 。これの代わりに (低レベルの) Flash チップ も 使えるようになっている。OSでの扱いが面倒になるから eMMC を採用してくれて幸いであった。

RJ45 は、トランス外付けのタイプ。OPi Zero は、PoE の配線のためだが、これは背を低くするだけが目的のようだ。

メモリは 4つ載る。シールに 512*4 という 印刷が。本当なら 2GB になってしまうのだが? XR819 という印刷も意味深で、AP6212 モデルの可能性を示唆している。

 ・http://linux-sunxi.org/Sunvell_R69
  Vcore 電圧変更には対応していない。1.2V 固定なので 1008 MHz まで。
  
    OPi Zero と Nanopi DUO は、1.1V/1.3V の切り替え。

  microSD カードからのブート優先。

Vcore 電圧は、1.3V だと 1.2 GHz まで動作するらしい。標準の 1.2V だと 1.2GHz では暴走してしまう。1008 MHz までという条件は重要で、他の機種用のイメージファイルを流用すると、この条件に引っかかる場合がある。

サイドの USB は HOST だが、後ろの USB は、OTG に接続されている。Device として使うには、OS で なにか指定しないといけないと思うが、FEL の機能を使うためには、ボタンなどハード的な指定手段が必要になる。U-BOOT と書いてあるボタンがそれらしい。SDからブートするのだから FEL が必要だとは思えないが、一応メモ。




そう言えば、allwinner H2+ 採用の SBC がもうひとつ増えている。



Banana pi M2 Zero という機種で、cnx-software.com でも紹介されている

見ての通り、Rasberry pi Zero W 対抗である。価格は $15 (送料別) で少々高め。HDMI とカメラ・インターフェイスが付いている点、さらに Wifi+BT(AP6212) が付いている点は良いのだが、SPI-Flash は付けられない。あと、Wifi+BT用のアンテナが多分付属していないし、チップアンテナでもない。USB HOST, Ether , AV-OUT もない。

一応紹介だけしておくが、OPi Zero や Nanopi DUO とは、遠い存在。むしろ、TV-BOX の R69 の方が OPi Zero /Nanopi DUO に 近い印象がある。





さらに、何か出てきた

 ・Tritium IoT – Allwinner H2+ quad core Cortex A7 processor with Mali-400MP2, 512MB
 ・Tritium 1GB – Allwinner H3 quad core Cortex A7 processor with Mali-400MP2
 ・Tritium 2GB – Allwinner H5 quad core Cortex A53 processor with Mali-450MP2

だそうで。PCB は共通のように見える。H2+, H3, H5 は、同じパターンでいけるらしいのだ。共通なゆえに残念な点は、GbE が使えず 100M Eth のみという点。あと Rasberry Pi3 とデメンションが互換。

同じものは、もういらないので買わないが。

興味深い点としては、Ethernet コネクタ。Opi Zero と同じく トランスレスのコネクタに、トランス外付けのようである。・・・あの小さいので良いのか。あと、電源チップ。たぶん AXP シリーズ。AXP209 は持っているのだが、バッテリー充電機能+2スイッチング電源。確か バッテリー充電機能がない代わりに 3スイッチング電源の型番があったように思う。続きを読む
posted by すz at 19:48| Comment(0) | TrackBack(0) | 日記

2017年11月02日

D級アンプ めも

alixpress で D級アンプ基板が安く売っている。12V で動作する PAM8610 や 5V 系の PAM8403 を採用したものが特に安いようだ。なにかを作りたいような気がして、ちょっと調べてみた。

PAM8610




このタイプ は、$0.86 とかで買える最も安いもの。他にもいくつか種類がある。


    コネクタ類とボリュームが付いたものでも $2 程度。

    最も出来の良さそうなタイプ。放熱とか考えて設計してあるし、電子ボリュームを使っている。

    こっちも電子ボリュームで $2.5。放熱についても配慮されている。入力側電解コンデンサは 2200uF の大容量。(Super Slim 15W PAM8610 で検索)

    これらのタイプについては、今回はコメントしない。

さて、最初のタイプには、どうも2つのバージョンがあるようだ。右のタイプには、黒いチップが 4つ見える。これはフェライトビーズではないだろうか? また、このタイプはコンデンサが小さい。コストダウンが世の常なので、フェライトビーズありが古いタイプのような気がする。両方とも電源入力近くに、ダイオードのようなチップが2個。また、このボード実に抵抗が少ない。左でも 3つしかない。124 は、OSC の周波数を決める RC。下の 103 は LED の 電流制限抵抗。あとひとつの 103 (10K) は何だろう?

チップの機能について

PAM8610 のデーターシートを見ると MUTE と ~SD(SHUTDOWN) 機能がある。また ~FADE という機能もある。これは、SHUTDOWN 解除や 電源ON のときにボリュームを徐々に上げていく、逆にSHUTDOWN したとき下げていく機能。(MUTE とは連動しない)。それに加えて 32段階の電子ボリュームもある。また、出力からの負帰還が組み込まれている。昨今ではD級アンプも負帰還を入れるのが当たり前だそうだが、おかげで電源にあまり気を使わなくとも済む。

これらの機能は、ボードではどう扱われているのだろうか? 

電子ボリューム (#5):
ボード上で AVDD(5VLDO 出力 #3),AREF(#4) に接続されている。 パターンカットして改造している人も



    レジストを削って、#5 のパターンを分離する。なんだか厳しそうな改造だ。

増幅度は、+10db 〜 +33db まで 1db 刻み。+10db 以下は +5, 0, -5, -10, -20, -30, -40, -75db となっている。入力に入れる2連ボリュームでは、こういうきめ細かな芸当は出来ない。多分コンデンサを入れることでガリも対策できるはず。ちなみに db は +6 で 2倍だから、+10db だと 3.17倍 +33db は、45倍

~FADE (#8):

ポップノイズ軽減のために是非とも ON であって欲しいわけだが、現物を調べたところ GND に接続され有効になっているようだ。

MUTE (#25), ~SD (#29):

MUTE は H で音が出ない。~SD は逆で L で音が出ない。データーシートではそう読み取れる。
SW という 外部端子がある、どちらを使っているのか、どういう接続なのか?

多分 103 の抵抗が関係しているのだろう。~SD をプルアップして SW の片側。もう片方は GND とかで良いんだが ... 現物を調べたところ どうも MUTE (#25) - 103 - SW と接続されているようだ。

となると MUTE は、L で音が出ないというのが正しいようだ。

ポップノイズ対応は、電源ON のときのみ。OFF のとき MUTE を L にしてから電源を切るのが良いのだが。どうしたものか。

ダイオードのようなもの:

逆接保護のためのダイオードだった。Vf 0.6V 1A 品(多分)をパラ接続。 こんなもの有害なだけのような気がするが ...

    ひょっとして RC フィルタになるのだろうか? 小出力のときに R を大きくする効果になるから、ノイズが目立たないとか?

    最大電流が 2A だとして、そのとき Vf 1V だとすれば、0.5 Ω相当。0.12A のとき 0.6V だとすれば、5Ω相当。無音で 20mA みたいなので、50Ω相当にまでなる。 コンデンサはデータシート通りでも 50uF (以上)。LPF cutoff 周波数は、6KHz → 600Hz → 60Hzと変化する。 上記の 2200uF が付いたモジュールなんかだと、さらに 1/50 にまで下がる。ついでに書くと 2200uF が入っているモジュールなら、ダイオードの外側の電圧を元に MUTE を操作するような回路を入れれば、Off 時のポップノイズも削減できるだろう。

PAM8403




5V で動作するもので、PAM8610 よりさらに安い。(10個で $1.68 とか) 。これも複数のタイプがある -- 写真左のものは、端子の位置がずれている粗悪品ぽい印象。

PAM8403 には MUTE と SHUTDOWN 機能はあるが、電子ボリューム、FADE はない。2009 年あたりの情報では、3.15V まででないと動かないとか MUTE と SHUTDOWN のロジックが反転しているとか。この情報は古いものしかないので、今はデーターシート通りだと思える。

    古いチップを使ったものがあるかも知れない。マークの 4つ目の数字がYEAR 。左のものの 9 とかやばそう。右は 5 だから多分 2015 で大丈夫。

ブロック図には、負帰還に関した情報はない。今では当たり前の機能がない? 書いていないだけのような気もするが、なければないで逆に楽しみな面でもある。そう -- 自分で負帰還を入れてみるのだ。

~MUTE (#5), ~SHDN (#12)

データシートでは、両方 Active-LOW (L で音が出ない) 。内部でプルアップされている。ボードでは両方 5V に接続されている。写真のボードだと #4-#5 , #12-#13 のブリッジをパターンカットすれば良い。ドリルで穴をあけてブリッジをえぐってしまっても良さそうなかんじ。

パターンカット出来たとして、プルアップ抵抗値はいくつなのか? 1.34kΩという情報もあったが、そんなに低いはずはない。 100kΩとかそういうレベルではないのか?

仮に 100kΩで 0.1uF を接続するとして、1.4V まで電圧が上がってくる(0 - 28%) 時間。

    -CR x ln(1 - 0.28) = 0.0033 (3.3ms)

    コンデンサを 10uF にすれば 0.330 秒 。電荷を抜くための抵抗も必要だし、合成抵抗値が 10K ならば、この 1/10 -- 0.033 秒。もし 数KΩ だと 数百 uF が必要そうで たいへん厳しい。



内部プルアップ抵抗が、100kΩ以下なら こんなので良いはず。もっと高い値だとすると、1.4V まで上がらない可能性があるので、外部にもパラでプルアップが必要。古いキットで、100k + 100k + 1uF というものがあった。これが良さそうな気も。

    0.8mm のピンバイス (ダイソー)で、 ピン間をえぐってみた。次に、抵抗値を見てみたところ、数十MΩだった。となると、100kΩ で プルアップ+プルダウン。そして 1uF 程度で GND と接続というのが良さそうだ。

ゲイン:
24 db -- 16 倍固定。 0.5Vrms = 1.414 Vp-p が入力だとして、 出力 4.7 Vp-p だとすると、出力が 3.3倍で済む。この余裕分を負帰還を回せるのではないか? 具体的には、オペアンプ同様 負の出力から、Rf の抵抗を通して入力に入れる。入力側には、Ri = 10K の抵抗が入っている。Rf = 33K としてやれば、ゲイン 3.3 倍。うまくいくのかな? とか思うわけだが、パターンを入れるだけならどうということはない。 あと、そもそも (-) の出力が負なんだろうか? これが逆だったりすると正帰還になって全く意味がなくなるので、(+) 側にも抵抗のパターンを入れておこう。

    The PAM8406 sets maximum RF =142kΩ, minimum RI =18kΩ, so the maximum closed-gain is 24dB.

    という説明があった。Rf と Ri があるということは、負帰還がかかっているということ。また、124k/18k = 7.88 しかないから、24db は BTL 込み。というわけで、さらに負帰還を入れるのは意味がない -- やってみても良いけど。

PAM8406

新しいチップが出ているのを後で気が付いた。SOP-16 で PAM8403 と互換性がある。まず ON/OFF でポップノイズが出ない機能がついた。AB 級 と D 級を切り替えられる機能も。ピンは #9 で H: D 級 L: AB 級と書いてある。PAM8403 のデータシートでは、#9 は NC で 回路例では GND に接続。 パターンを流用すると AB 級 固定になる。

    番外 CS8508E (中国製なぞアンプ), CKE8002 (LM4890 互換)

    SOP-8 のサイズで 2.5V 〜 8.8V で動作する BTL スピーカーアンプ。AB 級 と D 級を切り替えられる仕様。そんなには安くない。(4個 $2 ぐらい)

    SOP-8 BTL スピーカーアンプ だと LM4890 が有名で、ピン互換のものが多数存在する。なかでも CKE8002 が、かなり安く入手できる。(20個 $0.86 とか)。ちなみに CS8508E は全く互換性がない。

    CKE8002 なんかはちょっとモニタ用にスピーカーを付けたいとき便利かも知れない。電源電圧は、2.2V 〜 5.5V

出力側フィルタ

PAM8610,PAM8403 ともにスイッチング周波数は 250kHz あたり。キャリアをスペクトラム分散するタイプらしくフィルタレスを謳っている。ただし、音に問題がなくとも、スピーカーケーブルがアンテナになって ラジオにノイズがのったりする問題が起きる場合がある。

データシートに載っているのは、フェライトビーズ + 220pF 。高周波が出ていくのを防げるとは思うが、AM帯はどうなのか? できれば、まともな LC フィルタを 出力段に入れたい。10uH + 0.22uF の組み合わせだと、cutoff 周波数は 107kHz 程度。

    cutoff = 1/( 2π SQRT(LC) )
    L も C も u 単位なら、周波数は MHz 単位。

PAM8610 では、12V 8Ωスピーカー時に 8W + 8W 出力。PAM8403 だと、5V 8Ωスピーカー時に 1.8W + 1.8W 出力。

どれぐらいの電流が流れるか? インダクタの選定で重要なことだが、よく知らない。BTL で 8W なら 片側 4W 。平均 6V とすると 平均 0.66A なんだろうか? 6V を中心に 12V まで振れるなら x2 x 1.41 ぐらい ? インダクタは、1.9A ぐらいの定格で十分そうな気がする。前調べた CD75 の定格は 10uH で 2.3A 程度。--- いけるじゃないか。

PAM8403 だと 片側 0.9W で 平均 2.5V なら 0.36A ということで、定格 1A 以上とか? CD43 だと 10uH で 1.1A --- これで十分そうだが、4.7uH しか持ってない。4.7uH + 0.47uF で cutoff だけはクリアできる。インピーダンスがどうのという話があるが、まぁいいか。

コンデンサは、積層セラコンでは(見栄え的に)イマイチという印象があるので、フィルムコンを使ってみたい。が、フィルムコンは高い。可聴域でもないし、違いが分かるとも思えないから、やっぱり X7R あたりで。一応 手に入ったときのために、リード間隔 5mm のものは考慮しておきたい。


この回路図は、TA2020-020 のデータシートに載っているもの。10uH を使う場合はフルコピーした方が良さそう。PAM8403 では、値がわからないし、部品点数も増えるしで、左の3つの CR をなしにする。

    ここを見たかんじでは、cutoff が同じならば、左の3つの CR は変わらないようだ。4.7uH + 4.7uF でも 107kHz なので、そのまま使えるっぽい。

    もし 22uH があるならば、22uH + 0.47uF で cutoff 50kHz にするのもあり。その場合 左の3つのうち R を 10Ω → 15 Ωに変更。

入力側

PAM8403 ボードでは、1uF + 10KΩを直列に接続して入力している。103 が2つ見える。PAM8610 では、1uF の コンデンサしかない。内部でゲインを変えるため Ri が内蔵されていて、20kΩ 〜 200kΩ の範囲で値が変わる。





PAM8403 採用のボードには、こんなものも。blutooth スピーカーを作るためのもの。PAM 側に抵抗が 3 つ。103 x2 は、入力の 10K のはず。104 (100K) + コンデンサが ~MUTE 側にあるようなのである。

それはともかく、こういう機能のボードが欲しいような。 ボタンも必要なさそうだし。ESP32 で同等機能を作ってみたい。

その場合、DAC はどうするのが良いのだろうか? 内蔵DAC もあるが、DAC 外付け? あるいは力任せで ΣΔ?

DAC を外付けするとしたら、とりあえず安いもので良いか。鳴らすということが最初の問題であって、それをクリアした後に不満が出ればまた考えればよい。とか思って探したところ CS4334 が見つかった。10個で、$2.25 とか。 このチップまだ現役なのか --- 大昔からあるような気が。これでも I2S 24bit 96kHZ に対応している。192kHz も行けるような話もあるようだ。問題点は、5V を用意しないといけないことと、出力にアナログフィルタを入れないといけないこと。フィルタは逆に楽しみな要素でもあるし、最初はこれで良いんでは?

自分でスイッチ出来るのであれば、ΣΔ ってのも良さそうだ。が、ひとつ問題が。PAM8610 なんかだと、電源 - GND でスイッチしているだけではない。負帰還がかかっていて、電源の影響を受けにくくなっているようなのだ。よほど安定した電源を用意できなければ、太刀打ちできない。

電源は、あとで検討することにして、次。12V をドライブする回路は面倒だから、モータードライバ使っても良さそうだ。手頃なものとしては、L9110 という SOP-8 のチップがある。フルブリッジ1個なので 2個使う。価格は 10個で $1.85 とか。
L9110 の データシートは手に入るのだが、詳しい情報はない、一応 3.3V 入力が可能で、12V までをドライブできる。流せる電流は、コンスタント 0.8A ピーク 1.5 〜 2.0A 。 これだと 10W ぐらいいけそうな感じ。

あと、スイッチング周波数。まぁ好きなようにすればよいのだが、LC フィルタ用の部品を潤沢に用意するわけにもいかない。できれば 10uH + 0.22uF の cutoff 107kHZ だけでいけるようにしたい。となると 250kHz 以上でのスイッチングになる。ESP32 は、360MHz の CPU を1つ占有させることが出来るから いけそうな気もするんだが、決めつけて良いものかどうか。

    ところで、Bluetooth A2DP でどれぐらいのレベルのデータが送られてくるんだろうか? 実は知らないので調べないと。
    どうやら、すべて圧縮形式で、まず必須なのが、SBC 225kbps 〜 345kbps 。注目されているのが aptX 352kbps 。その他 AAC,MP3 なども。 なかなか重そうな処理も同時にやらないといけないようだ。それはともかく 44.1 kHz とか 48 kHz サンプリングが最低レベルのデータを処理できる必要がありそうだ。で、それを直線補間とかしてオーバサンプリングで 250kHz に持っていくのだろうか?

    ちなみに ESP32 には、ON/OFF の時間 (80MHz クロック単位) を決めれば、その通りに出力してくれる機能がある (RMT)。バッファリングも可能で、計算までが間に合えば 良い。バッファリングは全体で 512 エントリ 8ch あるので最低 64エントリ x 2h 、256 エントリ x 2ch も可能。外部 DAC 出力 と比べて処理が重いというわけではなさそうだ。精度は 80MHz クロック単位なので、250 kHz スイッチングなら 1周期 320 クロック -- あれ?こんなんで良いんだっけ?
     ・ PCM 96kHz/24bitと DSD64 -- DSD 2.8MHz/1bit はだいたい同じ情報量
    こんな情報もある。DSD は、ΣΔ だと思って良いらしいから、超オーバースペック? 例えば 4MHz 単位で正確に ON/OFF できればそれで十分ってことか。となると、LC フィルタはやはり 低いところでカットすべきなのだろうか? -- 聞こえなくて電波として外に出なきゃ良いってものかも知れないし、実際のところは良く分からない。

    ところで、クロックは 80MHz である。どうやっても正確な 48KHz, 44.1KHz は作り出せない。リサンプリングして、都合の良いサンプリングレートに変換するしかない。その際に デジタル LPF を 通して エイリアシングを回避するとか面倒な話もある。

しかし ΣΔ がいけるのであれば、相当に魅力である。DAC がどうの アンプがどうのという話が 全てプログラミングに帰着する。私としては、こっちのほうが好みである。

電源について

自前でスイッチングする場合、電源に乗った低周波ノイズは、そのまま 出力されてしまう。ノイズの少ない電源を専用に用意すべきである。CS4334 もそうかも知れないのだが、15mA しか消費しないので、対策は楽だろう。

大昔のアンプ -- LM386 とか -- と違って、負帰還アンプはノイズがすくない。出力が入力通りかフィードバックがかかるためである。自前でスイッチングする場合は、フィードバックが出来ない。

    だいたいバッファリングしようとしているわけで、遅延が大きい。たとえリアルタイムで出力状態をモニタできたとしても無理。

スイッチング電源でも、電圧が正しく出ているかのフィードバックはある。ノイズが大きい印象があるが、一般にスイッチング周波数帯と、FET の状態遷移に関連したはるかに高い周波数帯のノイズが顕著らしい。では、可聴域ではどうなのか?

    前の記事で、リプルのレベルと 出力段 LPF のインダクタンス が 比例関係にあることが分かった。が、これも高周波数帯での話であって、可聴域への影響についてはよく分からない。

一方、リニアレギュレータは、可聴域では良好らしい。PSRR というのがキーワードで、10kHz までは 60db 以上みたいなのが普通にある。

とにかくリニアレギュレータ を通して電源供給したほうが良いのは、間違いなさそうなのだが、いかんせん 出力が小さい。その上 電圧がドロップするので、放熱などが面倒。

    ◎ MIC29302 370/600 $1.83/5
    〇 LT1764 340/450 $13.1/5
    △ LP3966 800/1200 $13.48/10 (入力 〜 7.0V)
    ? LT3083 310 $31.55/5

よくある 1.5A までのものでは話にならないので、3A 品を探すと、上記のものが見つかった。MIC29302 がコスパが良いようだ。電圧ドロップも小さいので、これを通して電源供給すれば良いのではないだろうか?





こういうわけで、いつものごとく、基板設計のネタ。ドライブ回路にフィルタ それに電源 (あとコネクタ) をセットにした Arduino 型のシールドをまず設計する。これがメインだが、いろいろ実験するために、D級アンプ基板 と 入力用 3.5mm ジャックも付けたい。あとボリュームも -- ESP32 にも ADC があるので、あっても良さそう。

D級アンプ基板は、PAM8610 のモジュールを使う。これはオプションでフルブリッジとは排他で組む。この場合(たぶん)シールドとして使わないので、裏面に付ける。入力は 4極の 3.5mm ジャック。電子ボリュームは、頑張って改造すれば使えるよう配慮しておく。

電源は、12V 入力にして MIC29302 で 1〜 1.5V 落とす。3A も電流は流さないとは思うが、もし流すことになれば、これだけで 3W 〜 4.5W も消費する。

ESP32 には、内蔵DAC があるが、これも一応 つなげたい。。100 Ω + 47uF を直列につないでから 3.5mm ジャックとパラレルに接続する。出力が大きければ、イヤホンを直接鳴らせるかも知れない。D級アンプ基板の入力としては、たぶん不適切。

出力レベルは、0V-3.3V (電源電圧) なので、3.3Vpp / 1.17 Vrms (1/2.828 ) 。ライン出力に使うには 2倍強 電圧が高い。十分な電流を流せるならば、イヤホンを鳴らせるが、出力が弱い可能性がある。どっちつかず。分圧抵抗も入れられるようにはしておきたいが、入れてしまうと、3.5mm ジャックから入力する場合に不都合。

    分圧抵抗は不要であった。レベルのスケーリングができる。1, 1/2, 1/4, 1/8 が可能なので 1/2 に設定すれば良い。分圧しなければ、HI-Z にすることで、外部入力に影響がないようにできる。

    DAC は、本来 RTC の電源を使って出力する。が、ESP-WROOM-32 では、すべて1つにまとめられているので、ノイズ低減をすることが出来ない。あまり期待することは出来なさそう。8bit ながら、Msps 以上の高速性がありそうなだけに残念。

コンデンサについて:
秋月では 2012 サイズの 47uF はないようだが、22uF なら 2012 (25V) 以外に 1608 (6.3V) もある。aliexpress では、2012(0805) 47uF 16V なんてのもあった。3225 のパターンを用意するぐらいなら、2012 x2 の方が良さそうだ。

ここまでがメイン基板の機能。この基板の周りにサブ基板をくっつけて、面付けというか、大きな基板にする。分割しても良いが、実験ではそのまま使う。配線しなおすのも面倒だし。


サブ基板1 CS4334 DAC

さて、まず入れたいのは、CS4334 。ESP32 では、I2S の機能もあり、出力ポートを任意に決められる。入力専用のポートにだけ気を付けて、都合のよいポートを使える。

ところで、DAC の出力を Line 出力にする場合、バンドパスフィルタを入れるものらしい。CS4334 のデータシートにも回路例が載っている。



3.3u - 10k - 560 - C の4つの RC が、バンドパスフィルタを形成している。RL だが、音圧レベルを決めるものだろう。3.5V p-p (1.24Vrms) なので、0.5 Vrms にするためには、分圧しなければならない。560 が入っているので、390 あたり。そうなると C は、22nF あたり。

こんどは、
 ・http://sim.okawa-denshi.jp/CRCRtool.php
で計算してみる。22nF だと落ち始める周波数が低すぎる。ググると コンデンサは 3.3nF のパターンが多い。 3.3nF だとまぁ良いかんじにはなる。

3.3u - 10k - 560 - 3.3nF がベストだとして、なんとかならないだろうか? 3.3uF も 3.3nF も持っていない。10nF なら沢山あるし、10uF または 1uF も沢山あるのだが。そもそも 560 というのは、何の値? -- これを もっと大きなあたいにするのはアリなのだろうか?

いろいろ数値をいれてみたが、10u - 30k - 1.5K - 1nF - 1.2K でもいいか。だいたい、直流成分と高周波をカットしたいだけだろう。あと、レベル変換。


サブ基板2 MP2307 電源基板

リニアレギュレータが良いのは分かったが、DC/DC コンでどれぐらい不都合があるのだろうか? 製作記事などを見ても電源について気にしてないような。あまり重要ではなかったりするのだろうか? MIC29302 の代わりに 付けられる 電源基板も用意しておこう。

MP2307 で組むつもりだが、面倒なら、MINI360をさらに載せる。あるいは、この基板を使わずに全然違う電源ボードに入れ替えられるよう配慮しておく。

あと、ΣΔをデバッグするとき、うるさいと困る。電圧を変更できるMINI360を使ったほうが良いかもしれない。

サブ基板3 PAM8610 基板

作るとは思えないのだが、チップ単体も売っている。電子ボリュームを引き出せなければ、いっそ基板から作ってしまえみたいなノリで設計だけしておく。0.5mm ピッチ QFN なので、作れるかどうかも怪しい。

この基板では、SW 端子の仕様を変更してみた。~SD がそのまま接続されている。MUTE は即 出力を落とすが、~SD は、~FADE が効く。

また、プルアップ、プルダウンを入れられるようにしてある。基本使わないから関係ないんだが。


サブ基板4 PAM8403 基板

PAM8403 も試してみたい。安い PAM8403基板も使えるようにするのは厳しいので、PAM8610 基板と同じサイズ・ピン配置のものを用意しておく。 12V を入力するわけに行かないので、上記 電源基板を使うつもり。

PAM8406 には配慮してない。#9 は GND 。

PAM8403 は、手持ちのモジュールから外そうかと。チップを買うなら、PAM8406 の方が良さそう。古いのを掴まされるのはイヤだし。しかし、PAM8406 は高いのであった。


サブ基板5 FAN コン基板

別にここで作る必要はないのだが、スペースがあるし、おまけで。8pin AVR を使うのだが、SOP-8 を想定。DIP-8 のように見えるのは、あくまで ISP 用のコネクタ -- スペースがないのだ。モータ類は、10kHz 程度の PWM で駆動。センサーは、1 回転で 2 周期らしい。



基板全体は、こんな形になった。elecrow で発注するとどうなるのだろうか。面付けと認定されると +$8 らしいが。

    スリットは 1mm 幅。ミリングなら角は丸くないとダメだろうということで、端は半円。凸になる部分はそのままで、凹になる部分は、カーブを付けている。
    ブリッジになる部分は、あまり細いと製造で問題になるらしい。適当に付けたが、ある程度強度があるよう配慮したつもり。
    あと基板の角部分には、ブリッジを作らないようにした。角部分を綺麗に処理するのが難しいのもあるが、のこぎり (丸鋸、クラフトのこ)での切り出しが楽になるようにしたつもり。

    この基板を切り離すのに、金のこを使いたいがスリットが狭すぎだったかも。ダイソーのファミリーソーで DUO-DISK の基板を切ってみたが、切れることは切れるが2枚ぐらいで刃のエッジがなくなってくる。整形は、#120 ぐらいのダイアモンド砥石で軽くこする。包丁用でも良いが、ハンドグラインダー用の円盤型を使ってみたが、楽だった。




11/1 elecrow に発注 。$9.7 (送料込み 1150円だったかな)。 -- 文句言われずに ステータスが、In production になった!

11/08 珍しく時間がかかったが、shipped になった。今回は 10枚ぴったりのようだ。



なんか、指定したのと微妙に違う。サブ基板間のレジストを外すように keepout の指定をしたのだが、レジストがかかっているように見える。修正してたから時間がかかったのかも? 来ないことには分からないが。

11/12 受け取り。



やはり、サブ基板間にレジストがかかるよう修正されていた。手間をかけて修正してるということは、理由は分からないが、やってはダメということだ。前の基板のタブは、指定通りだったから、外側は良いのだろう。あと、枚数は12枚。

これを切ってみた。




32山の金のこでゴリゴリ切断。ちょっと苦労する。残った部分は、配線してあることもあり、とりあえず切らない。もっとも、普通の金のこでは、無理。ファミリーソーの刃を一回外して通すとか工夫がいる。

    ファミリーソーはダメ。突起があって刃を通せない -- つかえないヤツ。
    金のこの刃だけ持って引き切りするのが楽だった。刃を寝かせ気味にして一気に切ってしまうのだ。ブリッジの切断部分が狭いので引っかかるとスムーズに行かない。
    後処理は、ダイソーのダイアモンド砥石が良かった。かかとヤスリみたいな形状のやつ。

さて、このボード最初は、PAM8403 と MP2307 電源ボードから作ろうと思う。ちょっとやってみたいことがあるのだ。
posted by すz at 18:52| Comment(0) | TrackBack(0) | 日記