Conception de Circuit Minimal RP2040 : Créez Votre Carte Personnalisée (2025)

Introduction

Le RP2040 est le premier silicium de Raspberry Pi, et il est devenu incroyablement populaire pour les projets matériels personnalisés. Bien que la carte Raspberry Pi Pico soit excellente pour le prototypage, de nombreux projets nécessitent des facteurs de forme personnalisés, différentes configurations d'E/S, ou des conceptions optimisées en coût pour la production.

Ce guide fournit tout ce dont vous avez besoin pour concevoir votre propre carte basée sur le RP2040 à partir de zéro. Nous couvrirons le circuit minimal requis, expliquerons chaque décision de conception, et fournirons des numéros de pièces prêts pour JLCPCB afin que vous puissiez passer rapidement du schéma à la carte assemblée.

Pourquoi concevoir avec le RP2040 ?

Exigences Minimales du Circuit

Contrairement à de nombreux microcontrôleurs qui peuvent fonctionner avec juste l'alimentation et quelques condensateurs, le RP2040 a des exigences spécifiques pour un système fonctionnel :

Diagramme de Blocs du Système

Avant de plonger dans chaque sous-système, voici comment toutes les pièces se connectent :

Conception de l'Alimentation

Vue d'Ensemble de l'Architecture d'Alimentation

Le RP2040 nécessite deux rails de tension pour fonctionner :

• IOVDD (3,3V) - Alimente toutes les E/S, USB PHY et périphériques
• DVDD (1,1V) - Alimente le cœur numérique (cœurs ARM, SRAM)

Le RP2040 inclut un régulateur linéaire interne qui génère 1,1V à partir de l'alimentation 3,3V. Cela simplifie la conception de l'alimentation externe - vous n'avez qu'à fournir 3,3V.

Régulateur Interne 1,1V

Le régulateur interne nécessite :

• VREG_VIN - Connecter au 3,3V avec condensateur 1µF
• VREG_VOUT - Connecter à toutes les broches DVDD avec condensateur 1µF

Options d'Alimentation Externe 3,3V

Pour les conceptions alimentées par USB, vous devez convertir le 5V USB en 3,3V :

Condensateurs de Découplage

Un découplage approprié est critique pour la stabilité du RP2040. La puce a plusieurs broches d'alimentation qui ont chacune besoin de leur propre condensateur :

Oscillateur à Quartz

Bien que le RP2040 ait un oscillateur interne, un quartz externe de 12MHz est requis pour un timing USB précis et un fonctionnement stable.

Sélection du Quartz

Le quartz doit respecter ces spécifications :

• Fréquence : 12,000 MHz
• Capacité de Charge : Typiquement 10-20pF
• ESR : <100Ω recommandé
• Tolérance de Fréquence : ±30ppm ou mieux

Calcul des Condensateurs de Charge

Les condensateurs de charge (CL1 et CL2) doivent être calculés en fonction de la capacité de charge spécifiée du quartz et de la capacité parasite du PCB :

C_charge = (CL1 × CL2) / (CL1 + CL2) + C_parasite

Pour des condensateurs égaux (CL1 = CL2 = C) :
C = 2 × (C_charge - C_parasite)

Exemple avec capacité de charge 20pF et 3pF parasite :
C = 2 × (20pF - 3pF) = 34pF

Valeurs standard les plus proches : 33pF ou 27pF

Directives de Layout du Quartz

• Placez le quartz aussi près que possible des broches XIN/XOUT (broches 20/21)
• Gardez les condensateurs de charge immédiatement adjacents aux pads du quartz
• Routez les traces XIN/XOUT loin des signaux haute vitesse (surtout QSPI)
• Envisagez un anneau de garde de masse autour du quartz pour l'immunité au bruit
• Gardez le quartz du côté opposé de la puce par rapport au flash QSPI

Mémoire Flash QSPI

Le RP2040 n'a pas de mémoire flash interne - tout le code programme s'exécute depuis une puce flash QSPI externe. C'est un composant critique qui doit être choisi et connecté avec soin.

Sélection de la Puce Flash

Le bootloader du RP2040 est optimisé pour les flash Winbond série W25Q. Bien que d'autres puces puissent fonctionner, Winbond est le choix le plus sûr :

Interface USB

L'USB est l'interface de programmation principale pour le RP2040, permettant le téléchargement de firmware UF2 pratique par glisser-déposer.

Conception du Connecteur USB-C

Pour les conceptions modernes, l'USB-C est recommandé plutôt que le Micro-USB en raison de sa réversibilité et de sa durabilité.

Protection ESD

Circuit de Mode Boot

Conception du Bouton BOOTSEL

QSPI_SS (broche 57)
    |
    +--- Pull-up 10kΩ vers 3,3V (optionnel mais recommandé)
    |
    +--- Résistance série 1kΩ --- Bouton BOOTSEL --- GND

Séquence de Boot :
1. Appuyer et maintenir le bouton BOOTSEL
2. Appliquer l'alimentation (ou appuyer RESET en maintenant BOOTSEL)
3. RP2040 voit QSPI_SS bas → entre en mode boot USB
4. Relâcher le bouton
5. Glisser le fichier UF2 sur le lecteur USB

Circuit de Reset

RUN (broche 26)
    |
    +--- Pull-up 10kΩ vers 3,3V
    |
    +--- Condensateur 100nF vers GND (anti-rebond/filtre)
    |
    +--- Bouton RESET --- GND

Erreurs Courantes à Éviter

Conclusion

Concevoir une carte RP2040 personnalisée nécessite une attention aux détails dans l'alimentation, la mémoire flash, le quartz et les circuits USB. Cependant, avec l'excellente documentation de Raspberry Pi et la communauté croissante de conceptions open-source, c'est un projet réalisable pour quiconque a une expérience de base en conception de PCB.

• Utilisez la flash Winbond série W25Q pour une compatibilité garantie
• Portez une attention particulière à la connexion du pad de masse central
• Gardez les traces QSPI courtes et le quartz près de la puce
• Ne lésinez pas sur les condensateurs de découplage
• Incluez les boutons BOOTSEL et RESET pour une programmation facile