EMC, abbreviazione di Compatibilità Elettromagnetica (Electro-Magnetic Compatibility), si riferisce a uno stato di coesistenza in cui i dispositivi elettronici sono in grado di svolgere le proprie funzioni nello stesso ambiente elettromagnetico. In parole povere, l’EMC consente ai dispositivi elettronici di funzionare in modo indipendente e normale senza interferenze tra loro, vale a dire che tali dispositivi elettronici possono essere compatibili tra loro all’interno dell’intero sistema. Poiché l’EMC viene ottenuta controllando l’EMI (Interferenza Elettromagnetica, Electro-Magnetic Interference), essa si sviluppa insieme a una serie di studi riguardanti l’EMI, come l’introduzione dell’EMI, la ricerca sull’EMI, le soluzioni anti-EMI e la gestione dell’EMI.
Principi fondamentali della EMC
Per ridurre le interferenze tra segnali digitali e segnali analogici, è innanzitutto necessario conoscere due principi fondamentali dell’EMC.
Principio 1: L’area dell’anello del circuito deve essere MINIMIZZATA.
Principio 2: In un sistema può essere applicato un SOLO piano di riferimento.
Una volta che il Principio 1 non viene seguito e i segnali devono attraversare un’ampia area di loop, verrà generata una grande antenna ad anello. Tuttavia, una volta che il Principio 2 non viene seguito e sono disponibili due piani di riferimento, verrà creata un’antenna a dipolo. Nessuno dei due risultati è quello desiderato.
Regole e applicazioni per il partizionamento di PCB a segnali misti
Si consiglia di separare la massa digitale e la massa analogica sulla stessa scheda a segnali misti, in modo da ottenere l’isolamento tra di esse. Nonostante la fattibilità di questa soluzione, si verificheranno molti problemi latenti, che risultano particolarmente evidenti nei sistemi di grandi dimensioni. Il problema cruciale risiede nel fatto che non è possibile instradare le piste attraverso la separazione tra massa digitale e massa analogica. Se le piste vengono instradate attraverso la separazione, sia la radiazione elettromagnetica sia la diafonia dei segnali aumenteranno drasticamente. Il piùproblema comunemente riscontrato nella progettazione di PCBrisiede nel verificarsi di EMI dovuto al passaggio delle linee di segnale attraverso masse o alimentazioni separate.
La Figura 1 qui sotto illustra la situazione introdotta sopra.
In base a questo metodo di suddivisione, le linee di segnale devono attraversare la separazione tra massa digitale e massa analogica. Allora, come appare il percorso di ritorno del circuito di segnale? Supponiamo che le due masse separate siano collegate insieme in un punto e, in questa situazione, verrà generato un grande anello dal circuito di massa. Successivamente,circuito ad alta frequenzail flusso attraverso un grande anello porterà alla formazione di un grande loop con un’elevata capacità verso massa e alla generazione di radiazioni. Se un circuito analogico a basso livello attraversa il grande loop, sarà facilmente disturbato da segnali esterni. La situazione peggiore si verificherà quando la massa suddivisa è collegata all’alimentazione, formando un loop di circuito estremamente grande. Inoltre, si formerà un’antenna a dipolo quando la massa analogica e la massa digitale sono collegate insieme tramite un conduttore lungo. Di conseguenza, gli ingegneri dovrebbero conoscere il percorso e il metodo del circuito di ritorno nei sistemi a segnale mistoOttimizzazione del design PCB. Tuttavia, molti ingegneri osservano il percorso di flusso del circuito di segnale senza considerare il percorso specifico dei circuiti. Se il piano di massa deve essere suddiviso e il tracciato deve essere disposto attraverso la separazione, si può innanzitutto realizzare un collegamento a punto singolo tra le due masse separate formando un ponte, in modo da fornire un percorso di ritorno in corrente continua sotto ciascuna linea di segnale, con la formazione di una piccola area di loop, come indicato in Figura 2.
L’applicazione di dispositivi di isolamento ottico o di trasformatori può anche consentire il trasferimento dei segnali attraverso la separazione. Nel caso dei dispositivi di isolamento ottico, sono i segnali ottici ad attraversare la separazione. Nel caso dei trasformatori, è il campo magnetico ad attraversare la separazione. Un altro metodo applicabile consiste nell’uso di segnali differenziali. Il segnale fluisce in una linea mentre ritorna attraverso un’altra linea di segnale. In queste condizioni, la massa non è richiesta come percorso di ritorno.
Il partizionamento suddiviso può essere applicato nelle seguenti tre circostanze:
Circostanza 1: Alcune apparecchiature mediche richiedono una bassa corrente di dispersione tra il circuito collegato ai pazienti e il sistema.
Circostanza 2: L’ingresso proveniente da alcune apparecchiature di controllo di processi industriali può essere collegato a dispositivi elettromeccanici con elevato rumore e potenza.
Circostanza 3:Layout PCBpresenta alcune limitazioni.
Sui PCB a segnale misto sono solitamente disponibili alimentazioni digitali e analogiche indipendenti e i piani di alimentazione separati possono e devono essere utilizzati. Tuttavia, le linee di segnale strettamente adiacenti ai piani di alimentazione non devono attraversare la separazione tra le alimentazioni e tutte le linee di segnale che attraversano questa separazione devono essere adiacenti a piani conduttori di grande area. In alcune situazioni, i problemi di suddivisione relativi ai piani di alimentazione possono essere evitati progettando l’alimentazione analogica come piste di collegamento sul PCB invece che come semplice piano.
Metodo di progettazione del piano di massa e applicazioni dei PCB a segnali misti
Per discutere l’interferenza lasciata dai segnali digitali sui segnali analogici, è innanzitutto necessario comprendere le caratteristiche della corrente ad alta frequenza. La corrente ad alta frequenza dipende sempre dal percorso con l’impedenza minima (induttanza più bassa) e si trova direttamente al di sotto dei segnali. Di conseguenza, il percorso di ritorno scorrerà attraverso il piano di circuito circostante, indipendentemente dal fatto che questo piano sia un piano di alimentazione o un piano di massa. Nelle operazioni pratiche, il piano di massa tende a essere utilizzato con la scheda di circuito suddivisa in sezione analogica e sezione digitale. I segnali analogici sono disposti all’interno delle sezioni analogiche di tutti i piani, mentre i segnali digitali all’interno dell’area del circuito digitale. In questa situazione, la corrente di ritorno del segnale digitale non fluirà nella massa dei segnali analogici. Finché il layout del segnale digitale viene realizzato sopra la sezione analogica o il layout del segnale analogico viene realizzato sopra la sezione digitale nei PCB, verrà generata l’interferenza prodotta dai segnali digitali sui segnali analogici.
Il verificarsi di tali problemi non deriva dall’assenza di una massa suddivisa, ma da una disposizione inadeguata dei segnali digitali. Per quanto riguarda la progettazione PCB, l’applicazione del piano di massa, la suddivisione tra circuiti digitali e circuiti analogici e una disposizione ragionevole dei segnali di solito aiutano a risolvere problemi complessi relativi al layout e alla partizione. Inoltre, è possibile evitare alcuni potenziali problemi causati dalla massa suddivisa. Di conseguenza, il posizionamento dei componenti e la partizione diventano elementi chiave che determinano la qualità della progettazione PCB. Se il layout e la partizione sono sufficientemente adeguati, la corrente nella massa digitale sarà limitata alla sezione digitale in una scheda di circuito, impedendo che i segnali analogici vengano disturbati. Il layout per una tale situazione deve essere attentamente ispezionato e verificato per garantire che le regole di layout siano completamente rispettate. In caso contrario, anche una disposizione inadeguata delle linee di segnale potrebbe portare al guasto dell’intera scheda di circuito.
Quando i pin di massa analogica e di massa digitale di un convertitore A/D sono collegati insieme, la maggior parte dei produttori di convertitori A/D suggerisce di collegare i pin AGND e DGND alla stessa massa con bassa impedenza tramite collegamenti il più corti possibile. Questo perché tali pin non sono collegati internamente nella maggior parte dei circuiti integrati dei convertitori A/D e qualsiasi impedenza esterna collegata a DGND farà sì che un maggior rumore digitale si accoppi con il circuito analogico interno al chip attraverso la capacità parassita. Di conseguenza, sia i pin AGND che DGND del convertitore A/D dovrebbero essere collegati alla massa analogica. Tuttavia, ciò solleva il problema se il terminale di massa del condensatore di disaccoppiamento dei segnali digitali debba essere collegato alla massa analogica o a quella digitale.
Quando si tratta di un sistema con un singolo convertitore A/D, il problema introdotto sopra può essere facilmente risolto. Con le masse separate, la sezione di massa analogica e la sezione di massa digitale sono collegate sotto il convertitore A/D. Quando si utilizza questo metodo, il ponte tra le due masse deve essere largo quanto l’IC e nessuna linea di segnale deve attraversare la separazione.
Quando si tratta di un sistema con alcuni convertitori A/D, ad esempio 10, come dovremmo collegarli? Se seguiamo la stessa soluzione introdotta sopra, cioè collegare la massa analogica e la massa digitale sotto il convertitore A/D, si creeranno connessioni in più punti, rendendo così priva di significato l’isolamento tra massa analogica e massa digitale. Se il collegamento non viene effettuato in questo modo, i requisiti del produttore non saranno soddisfatti. La soluzione ottimale risiede nell’applicazione di un piano di massa unico, suddiviso in sezione analogica e sezione digitale. Questo tipo di layout non solo soddisfa il requisito sulla massa analogica e sulla massa digitale dei produttori di IC, che richiedono una bassa impedenza tra di esse, ma evita anche problemi EMC come l’antenna ad anello o l’antenna a dipolo.
Se gli ingegneri nutrono dubbi sull’applicazione di un piano di massa uniforme nella progettazione PCB, il layout può essere realizzato sulla base del metodo di suddivisione del piano di massa. Nel processo di progettazione, la scheda dovrebbe consentire l’uso di un ponticello con lunghezza inferiore a 0,5 pollici o di una resistenza da 0 ohm per collegare le masse separate. Bisogna prestare molta attenzione al partizionamento e al layout per garantire che nessuna linea di segnale digitale sia posizionata sopra la sezione analogica e viceversa. Inoltre, nessuna linea di segnale deve attraversare la separazione delle masse o la separazione delle alimentazioni. Per testare le funzioni del PCB e la sua EMC, le due masse dovrebbero essere collegate tramite una resistenza da 0 ohm o un ponticello e quindi si dovrebbero ritestare le funzioni della scheda e la sua EMC. Il confronto dei risultati indica che, in tutti i casi, la soluzione con massa uniforme è migliore della soluzione con masse separate in termini di funzionalità ed EMC.
Progettazione PCB mixed-signalè un processo complicato. Un PCB dovrebbe essere suddiviso in una sezione analogica indipendente e una sezione digitale, e il convertitore A/D dovrebbe essere posizionato a cavallo delle sezioni. Per separare le alimentazioni analogiche e digitali, non si dovrebbe attraversare la divisione tra piani di alimentazione isolati e le linee di segnale che devono necessariamente attraversarla dovrebbero essere disposte sullo strato del circuito che è adiacente a un’ampia area. Bisogna analizzare dove scorre la corrente del percorso di ritorno e come scorre, in modo che si possa adottare un posizionamento appropriato dei componenti e rispettare le corrette regole di layout. In tutti gli strati di un circuito stampato, i segnali digitali possono essere instradati solo nelle sezioni digitali, mentre i segnali analogici possono essere instradati solo nelle sezioni analogiche.
Metodo di progettazione del piano di massa e applicazioni dei PCB a segnali misti
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La compatibilità elettromagnetica (EMC) consente ai dispositivi elettronici di coesistere in sincronia senza interferenze, ed è fondamentale nella progettazione di PCB a segnali misti. Con l’applicazione di metodi quali la riduzione delle aree dei loop di circuito e l’impiego di piani di riferimento unici, gli ingegneri possono ridurre efficacemente gli effetti elettromagnetici indesiderati. Un partizionamento efficace delle sezioni analogiche e digitali e una progettazione efficiente dei piani di massa isolano diafonia e interferenze di rumore, migliorando l’integrità del segnale e le prestazioni del sistema.
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