RP2040 Minimal-Schaltungsdesign: Bauen Sie Ihre eigene Platine (2025)

Einführung

Der RP2040 ist Raspberry Pis erster eigener Chip und hat sich für kundenspezifische Hardware-Projekte als äußerst beliebt erwiesen. Während das Raspberry Pi Pico Board hervorragend für Prototyping geeignet ist, erfordern viele Projekte individuelle Formfaktoren, andere I/O-Konfigurationen oder kostenoptimierte Designs für die Produktion.

Dieser Leitfaden bietet alles, was Sie benötigen, um Ihre eigene RP2040-basierte Platine von Grund auf zu entwerfen. Wir behandeln die minimal erforderliche Schaltung, erklären jede Design-Entscheidung und liefern JLCPCB-kompatible Teilenummern, damit Sie schnell vom Schaltplan zur bestückten Platine kommen.

Warum mit dem RP2040 entwerfen?

Minimale Schaltungsanforderungen

Anders als viele Mikrocontroller, die nur mit Stromversorgung und ein paar Kondensatoren laufen können, hat der RP2040 spezifische Anforderungen für ein funktionierendes System:

System-Blockdiagramm

Bevor wir in jedes Teilsystem eintauchen, hier eine Übersicht wie alles verbunden ist:

Stromversorgungsdesign

Übersicht der Stromversorgungsarchitektur

Der RP2040 benötigt zwei Spannungsschienen zum Betrieb:

• IOVDD (3,3V) - Versorgt alle I/O, USB PHY und Peripherie
• DVDD (1,1V) - Versorgt den digitalen Kern (ARM-Kerne, SRAM)

Der RP2040 enthält einen internen Linearregler, der 1,1V aus der 3,3V-Versorgung erzeugt. Dies vereinfacht das externe Stromversorgungsdesign - Sie müssen nur 3,3V bereitstellen.

Interner 1,1V Regler

Der interne Regler erfordert:

• VREG_VIN - Mit 3,3V und 1µF Kondensator verbinden
• VREG_VOUT - Mit allen DVDD-Pins und 1µF Kondensator verbinden

Externe 3,3V Versorgungsoptionen

Für USB-versorgte Designs müssen Sie 5V USB auf 3,3V umwandeln:

Entkopplungskondensatoren

Richtige Entkopplung ist kritisch für die RP2040-Stabilität. Der Chip hat mehrere Strom-Pins, die jeweils einen eigenen Kondensator benötigen:

Quarzoszillator

Obwohl der RP2040 einen internen Oszillator hat, ist ein externer 12MHz Quarz für genaues USB-Timing und stabilen Betrieb erforderlich.

Quarzauswahl

Der Quarz muss diese Spezifikationen erfüllen:

• Frequenz: 12,000 MHz
• Lastkapazität: Typisch 10-20pF
• ESR: <100Ω empfohlen
• Frequenztoleranz: ±30ppm oder besser

Lastkondensator-Berechnung

Die Lastkondensatoren (CL1 und CL2) müssen basierend auf der spezifizierten Lastkapazität des Quarzes und der PCB-Streukapazität berechnet werden:

C_last = (CL1 × CL2) / (CL1 + CL2) + C_streu

Für gleiche Kondensatoren (CL1 = CL2 = C):
C = 2 × (C_last - C_streu)

Beispiel mit 20pF Lastkapazität und 3pF Streukapazität:
C = 2 × (20pF - 3pF) = 34pF

Nächste Standardwerte: 33pF oder 27pF

Quarz-Layout-Richtlinien

• Platzieren Sie den Quarz so nah wie möglich an XIN/XOUT-Pins (Pins 20/21)
• Halten Sie Lastkondensatoren direkt neben den Quarz-Pads
• Führen Sie XIN/XOUT-Leiterbahnen weg von Hochgeschwindigkeitssignalen (besonders QSPI)
• Erwägen Sie einen Masse-Schutzring um den Quarz für Störimmunität
• Halten Sie den Quarz auf der gegenüberliegenden Seite des Chips vom QSPI-Flash

QSPI-Flash-Speicher

Der RP2040 hat keinen internen Flash-Speicher - der gesamte Programmcode läuft von einem externen QSPI-Flash-Chip. Dies ist eine kritische Komponente, die sorgfältig ausgewählt und verbunden werden muss.

Flash-Chip-Auswahl

Der RP2040-Bootloader ist für Winbond W25Q-Serie Flash optimiert. Während andere Chips funktionieren können, ist Winbond die sicherste Wahl:

Flash-Verbindungen

QSPI_SS Pull-up: Fügen Sie einen 10kΩ Pull-up-Widerstand von QSPI_SS nach 3,3V hinzu. Dies stellt sicher, dass der Flash-Chip-Select während des Einschaltens high ist, was verhindert, dass der Flash in einen undefinierten Zustand gerät.

Flash-Layout-Richtlinien

• Platzieren Sie Flash so nah wie möglich an RP2040 QSPI-Pins
• Maximale Leiterbahnlänge: 20mm (kürzer ist besser)
• Empfohlene Leiterbahnbreite: 0,15mm (6 mil)
• Halten Sie die Taktleitung als längste unter allen QSPI-Signalen
• Fügen Sie 100nF Entkopplungskondensator direkt am Flash-VCC-Pin hinzu
• Halten Sie solide Massefläche unter Flash und Leiterbahnen aufrecht

USB-Schnittstelle

USB ist die primäre Programmierschnittstelle für den RP2040 und ermöglicht den bequemen UF2 Drag-and-Drop-Firmware-Upload.

USB-C Stecker-Design

Für moderne Designs wird USB-C aufgrund seiner Reversibilität und Langlebigkeit gegenüber Micro-USB empfohlen. Wichtige Verbindungen:

ESD-Schutz

Obwohl nicht strikt erforderlich, wird ESD-Schutz auf USB-Leitungen für jedes Produkt, das von Benutzern gehandhabt wird, dringend empfohlen:

USB-Leiterbahn-Layout

USB ist ein differentielles Signal, das kontrollierte Impedanz erfordert:

• Zielimpedanz: 90Ω differentiell
• Leiterbahnbreite: 0,8mm (für 1,6mm Platinendicke)
• Leiterbahnabstand: 0,15mm zwischen D+ und D-
• 27Ω Serienwiderstände: Nahe an RP2040-Pins platzieren
• Längenanpassung: D+ und D- gleich lang halten

Boot-Modus-Schaltung

Der RP2040 verwendet einen ROM-basierten Bootloader, der beim Einschalten den BOOTSEL-Zustand prüft. Das Verständnis der Boot-Sequenz ist essentiell für die Gestaltung einer zuverlässigen Programmierschnittstelle.

BOOTSEL-Taste-Design

Die BOOTSEL-Funktion verwendet den QSPI_SS-Pin. Wenn QSPI_SS während des Resets low gehalten wird, wechselt der RP2040 in den USB-Massenspeicher-Modus für Firmware-Upload:

QSPI_SS (Pin 57)
    |
    +--- 10kΩ Pull-up nach 3,3V (optional aber empfohlen)
    |
    +--- 1kΩ Serienwiderstand --- BOOTSEL-Taste --- GND

Boot-Sequenz:
1. BOOTSEL-Taste drücken und halten
2. Strom anlegen (oder RESET drücken während BOOTSEL gehalten wird)
3. RP2040 sieht QSPI_SS low → wechselt in USB-Boot-Modus
4. Taste loslassen
5. UF2-Datei auf das USB-Laufwerk ziehen

Reset-Schaltung

Der RUN-Pin (Pin 26) ist der Reset-Eingang des RP2040 (aktiv-low):

RUN (Pin 26)
    |
    +--- 10kΩ Pull-up nach 3,3V
    |
    +--- 100nF Kondensator nach GND (Entprellen/Filter)
    |
    +--- RESET-Taste --- GND

Typische Verwendung:
1. Einschalten: RUN wird high gezogen, Chip startet
2. RESET drücken: RUN wird low gezogen, Chip resettet
3. Loslassen: RUN kehrt auf high zurück, Chip startet neu
4. Für BOOTSEL-Modus: BOOTSEL halten, RESET drücken

GPIO-Breakout

Der RP2040 bietet 30 GPIO-Pins mit flexibler Peripherie-Zuordnung. Für ein minimales Design sollten Sie überlegen, welche GPIOs herausgeführt werden:

PCB-Layout-Richtlinien

Lagenaufbau

Das offizielle Minimal-Design verwendet eine 2-Lagen-Platine, aber 4 Lagen werden für bessere Leistung und einfacheres Routing empfohlen:

Masseflächenstrategie

Das zentrale Masse-Pad des RP2040 ist die einzige Masseverbindungfür den gesamten Chip. Dies macht das Masseflächen-Design kritisch:

• Verwenden Sie mindestens 9 Vias unter dem Masse-Pad für thermische und elektrische Verbindung
• Erstellen Sie eine solide Massefläche direkt unter dem RP2040
• Verbinden Sie alle Entkopplungskondensator-Massen mit dieser Fläche über Vias
• Halten Sie durchgehende Masse unter QSPI-Leiterbahnen aufrecht
• Verwenden Sie Masse-Stitch-Vias um den Umfang

Kritisches Signal-Routing

Stückliste

JLCPCB Basic Parts

Die Verwendung von JLCPCB Basic Parts minimiert Bestückungsgebühren ($3 pro Extended-Teile-Typ). Hier sind Basic Parts wo möglich:

Komplette Stückliste

Geschätzte Kosten: ~2-3$ pro Platine für Bauteile (5 Platinen Minimum), plus ~5$ Bestückungsgebühr + ~3$ pro Extended-Teile-Typ.

Häufige Fehler vermeiden

Test und Debugging

Nach der Bestückung folgen Sie dieser Test-Reihenfolge:

1. Visuelle Inspektion: Prüfen Sie auf Lötbrücken, besonders am RP2040 und USB-Stecker. Das QFN-56-Gehäuse neigt zu Brücken.
2. Stromprüfung (ohne USB): Messen Sie 3,3V und 1,1V Schienen bevor Sie USB anschließen. Prüfen Sie auf stabile und korrekte Spannung.
3. BOOTSEL-Test: BOOTSEL halten, USB verbinden. Der Computer sollte ein neues USB-Laufwerk namens "RPI-RP2" anzeigen.
4. Flash-Test: Eine UF2-Datei (wie das Pico Blink-Beispiel) auf das Laufwerk ziehen. Es sollte verschwinden und der Code sollte laufen.
5. UART-Test: Einen USB-UART-Adapter an GPIO0/GPIO1 anschließen und serielle Ausgabe verifizieren.

Fazit

Das Design einer eigenen RP2040-Platine erfordert Aufmerksamkeit für Details bei Stromversorgung, Flash-Speicher, Quarz und USB-Schaltungen. Mit der exzellenten Dokumentation von Raspberry Pi und der wachsenden Community von Open-Source-Designs ist es jedoch ein machbares Projekt für jeden mit grundlegender PCB-Design-Erfahrung.

Die wichtigsten Punkte zum Merken:

• Verwenden Sie Winbond W25Q-Serie Flash für garantierte Kompatibilität
• Achten Sie besonders auf die zentrale Masse-Pad-Verbindung
• Halten Sie QSPI-Leiterbahnen kurz und Quarz nah am Chip
• Sparen Sie nicht bei Entkopplungskondensatoren
• Fügen Sie BOOTSEL- und RESET-Tasten für einfache Programmierung hinzu

Laden Sie die offiziellen KiCad Minimal-Design-Dateien von Raspberry Pi als Ausgangspunkt herunter und zögern Sie nicht, andere Open-Source RP2040-Projekte als Inspiration zu verwenden.