Le nuove generazioni di tecnologie elettroniche portano a una velocità di commutazione sempre più elevata dei componenti. Il miglioramento della velocità di funzionamento dei circuiti comporta requisiti sempre più stringenti per la progettazione dei PCB. La qualità della progettazione del PCB determina persino le prestazioni operative dei componenti e dell’intero circuito. In particolare, considerando il costo, l’area del PCB e la funzionalità del circuito complessivo, le sorgenti di generazione di EMI (Interferenza Elettromagnetica) diventano sempre più numerose, con meccanismi complessi.
Meccanismo EMI e Soluzioni
I principali elementi dell’EMI comprendono la sorgente di interferenza elettromagnetica, il percorso di trasmissione e l’oggetto interferito. Una volta specificati gli elementi che portano alla comparsa dell’EMI, è necessario determinare quali elementi siano facili da risolvere e quali possano essere solo parzialmente risolti nel processo di progettazione del PCB, in modo che possano essere presi in considerazione nelle fasi di layout, instradamento e messa a terra.
• Layout
In termini diLayout PCBle aree dovrebbero essere suddivise in base alle diverse funzionalità. Le diverse funzionalità sono distribuite in aree differenti, prestando particolare attenzione alle unità sensibili nelle aree funzionali.
In generale, per il layout del PCB devono essere seguiti i seguenti principi:
a.Nei circuiti ad alta velocità, è necessario considerare i parametri della distribuzione dei pin dei componenti e la capacità distribuita dei pin dei componenti è particolarmente essenziale, soprattutto per i segnali di clock ad alta velocità. Allo stesso tempo, bisogna tenere in considerazione l’induttanza distribuita, poiché potrebbe causare l’oscillazione dei segnali, con conseguente malfunzionamento del circuito. Pertanto, nel processo di layout, la distribuzione deve essere organizzata ad alta densità, riducendo la lunghezza dei conduttori per il futuro instradamento e diminuendo l’influenza delle EMI.
b.Se in un circuito sono presenti sia componenti analogici che componenti elettronici, essi devono essere distribuiti in modo indipendente nel processo di layout. Poiché i segnali dei componenti digitali presentano composizioni complesse con molteplici onde armoniche, essi esercitano una forte influenza sui segnali analogici. Pertanto devono essere considerati con grande attenzione.
c.Le unità di clock sono essenziali nei circuiti ad alta velocità. Il meccanismo di funzionamento dell’unità di clock è in realtà equivalente a una sorgente di rumore, il che significa che questa unità oscillerà quando vengono soddisfatte determinate condizioni. In quanto importante sorgente di interferenze condotte e di interferenze irradiate, l’unità di clock non deve essere posizionata sul bordo del PCB. In caso contrario, le EMI diventerebbero molto gravi. È necessario posizionare le unità di clock al centro del PCB, il che può ridurre notevolmente le EMI nei circuiti.
• Instradamento
Nel processo diInstradamento PCBIn circostanze di basso costo, il piano di massa può essere ampliato il più possibile per ridurre l’influenza delle EMI. Tuttavia, in circostanze in cui il costo deve essere rigorosamente controllato, il numero di strati del PCB e la sequenza dello stack devono essere considerati con attenzione. Inoltre, è necessario considerare i tipi di segnale ed effettuare il routing separatamente per i segnali ad alta velocità e quelli a bassa velocità. Vanno inoltre considerati altri elementi, tra cui la sorgente di rumore e come rafforzare l’inibizione del rumore, le questioni relative al matching di impedenza (i segnali ad alta velocità senza un adeguato matching porteranno inevitabilmente alla riflessione dei segnali e ridurranno l’affidabilità dei circuiti) e la netlist.
a. Principi di base del routing
I principi generali seguiti nell'instradamento includono:
1). Nel routing si dovrebbero evitare i breakpoint, il che significa che si dovrebbero evitare gli angoli retti, come mostrato nella Figura 1 qui sotto.
Poiché un angolo retto può eventualmente causare riflessione, il punto di inflessione deve essere progettato in modo uniforme per evitare questo fenomeno. Allo stesso tempo, i segnali chiave non devono oltrepassare le aree suddivise, altrimenti le EMI aumenteranno immediatamente. Il bypass di segnale più comune consiste nell’attraversare diverse aree di alimentazione suddivise.
2). Nel processo di layout, è richiesto che i componenti analogici e i componenti digitali siano separati tra loro, il che significa che anche il loro instradamento deve essere separato. Allo stesso tempo, la larghezza dei fili di massa e dei fili di alimentazione deve essere aumentata, seguendo la regola generale secondo cui la larghezza dei fili di massa è maggiore di quella dei fili di alimentazione, che a sua volta è maggiore di quella dei fili di segnale. Inoltre, il principio delle 3W deve essere pienamente considerato nell’instradamento dei fili di segnale, mentre per i circuiti stampati multistrato il principio 20H deve essere considerato negli strati interni. Il completamento del lavoro sopra descritto è in grado di evitare il 70% delle EMI. Per quanto riguarda i fili analogici sensibili, possono essere adottate misure come la messa a terra.
3). Per il routing di USB2.0 o di altre linee differenziali ad alta velocità, è necessario applicare un routing accoppiato e garantire l’integrità del piano di riferimento tra le coppie differenziali. Poiché le coppie differenziali sono generalmente segnali ad alta velocità, il routing non dovrebbe essere disposto sul bordo del PCB.
b. Cicli
I loop non possono mai essere evitati nella progettazione PCB. I loop si formano dal flusso dei segnali in uscita a quello in ingresso e ciascuno di essi svolge il ruolo di antenna nel funzionamento. Per ridurre le EMI nel PCB, sia il numero di loop sia la capacità di antenna dei loop devono essere diminuiti. Ciò significa che nella progettazione PCB si deve tenere conto della direzione di flusso di ciascun segnale e che l’area del loop deve essere ridotta per i segnali ad alta velocità.
Nei circuiti, gli anelli più comunemente utilizzati si trovano negli anelli di alimentazione racchiusi dal condensatore di disaccoppiamento, come mostrato in Figura 2.
Se il condensatore di disaccoppiamento è posizionato come nel diagramma di sinistra in Figura 2, verranno generati anelli di corrente relativamente grandi con un evidente fenomeno di EMI. Al contrario, nel diagramma di destra della Figura 2, in cui il condensatore di disaccoppiamento è posizionato molto vicino al chip, viene generato un anello di disaccoppiamento estremamente piccolo con la principale funzionalità di ridurre le EMI. I principi da seguire per ridurre gli anelli sono i seguenti:
1).È garantito un solo percorso tra due punti su ciascuna linea di segnale.
2). Il piano di massa deve essere applicato senza interruzioni, garantendo l’assenza di blocchi nei loop di segnale.
c. Fili di terra del PCB
1). Nel sistema di messa a terra del PCB, occorre chiarire le differenze tra massa digitale, massa analogica e massa di schermatura del sistema. Per separare la massa digitale dalla massa analogica si utilizzano perline magnetiche e condensatori, mentre la massa digitale e la massa di campo devono essere collegate direttamente.
2). Se possibile, i fili di massa dovrebbero essere ampliati nel PCB.
3).Formare circuiti chiusi mediantefili di terrain modo che la capacità anti-interferenza venga rafforzata e la differenza di livello elettrico tra i sistemi venga ridotta.
• Progettazione di filtri
Nei PCB ad alta velocità, l’elaborazione di filtraggio può essere implementata sui cavi di alimentazione e sui cavi di segnale. Le misure comuni includono l’aggiunta di componenti di filtro magnetico, filtri EMI e condensatori di disaccoppiamento.
a. Selezione del condensatore di disaccoppiamento
1).In un circuito, il condensatore di disaccoppiamento aiuta a rendere l’alimentazione stabile e a rafforzare la capacità di anti-interferenza. In genere, si sceglie un condensatore ceramico come condensatore di disaccoppiamento grazie alla sua elevata stabilità, alta precisione, dimensioni ridotte e basso ESR (Equivalent Series Resistance). Nella progettazione del circuito, il valore della capacità viene scelto nell’intervallo da 1 μF a 100 μF, mentre la capacità di sopportare la tensione deve essere considerata in base al circuito.
2).Il condensatore di disaccoppiamento deve essere posizionato molto vicino ai componenti.
b. Selezione dei componenti magnetici
I componenti magnetici possono essere classificati in induttori e perle magnetiche. In genere, l’induttore viene inserito all’estremità del terminale di alimentazione, mentre le perle magnetiche tra le linee di segnale. Nel processo diselezione dei componenti, è necessario prendere in considerazione i parametri di saturazione. Una volta che i componenti magnetici raggiungono la saturazione, si bruceranno. Inoltre, è necessario considerare sia la qualità sia i parametri di DCR dei componenti magnetici.
Una misura comunemente utilizzata tra le linee di segnale consiste nell’applicazione di perle magnetiche sulle linee seriali per rafforzare la capacità EMI.
c. Selezione del filtro EMI
L’area con grave interferenza in modo comune si trova nel punto in cui l’alimentazione entra e le linee di segnale escono. Le misure ordinarie per evitare l’interferenza in modo comune includono l’aggiunta di un induttore di modo comune, di un piezoresistore, di un circuito LC e di uno specifico filtro EMI. Nei circuiti ad alta velocità, il problema EMI deve essere considerato per la trasmissione ad alta velocità sulle interfacce digitali come USB e HDMI.
• Riflessione del segnale
Nella trasmissione di segnali, si prevede sempre che l’energia al terminale di sorgente venga trasmessa al terminale di carico, il che significa che ZL dovrebbe essere uguale a ZO. Se non sono uguali tra loro, una parte dell’energia verrà riflessa.
Se il ritardo di trasmissione delle linee è relativamente lungo, segnali più forti verranno riflessi verso il terminale di origine. Di conseguenza, sarà necessario modificare una quantità relativamente grande per la compensazione quando viene generata la suoneria, come mostrato nella Figura 5 qui sotto.
Quando si verifica il ringing sui segnali, le EMI raggiungono il massimo livello di gravità. Per evitare tale fenomeno nella progettazione PCB, seguire i principi riportati nella Tabella 1.
|
Tempo di transizione del segnale (ns)
|
Lunghezza delle linee di segnale (pollici)
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| 5 |
8,6 |
| 4 |
6,9 |
| 3 |
5.1 |
| 2 |
3,4 |
| 1 |
1,7 |
Test EMI
Dopo la progettazione del prodotto, nonostante molte misure per evitare le EMI, i problemi non verranno individuati fino all’esecuzione dei test. Successivamente, si potranno apportare alcune modifiche per risolverli.
Il test EMI include il metodo di prova, i dispositivi e la posizione di prova. I metodi di prova devono essere eseguiti con riferimento a tutti gli elementi. Se i dispositivi non riescono a raggiungere lo standard, si può utilizzare uno spettrometro per un test qualitativo. Se è richiesto il valore EMI specifico dei dispositivi, è necessario utilizzare apparecchiature professionali. Per quanto riguarda la posizione di prova, è preferibile eseguire il test in una camera oscura.
