Quando progettiamo PCB, di solito ci affidiamo all’esperienza e alle competenze che di solito troviamo su Internet. Ogni progetto di PCB può essere ottimizzato per un’applicazione specifica. In genere, le sue regole di progettazione sono applicabili solo all’applicazione di destinazione. Ad esempio, le regole PCB ADC non si applicano ai PCB RF e viceversa. Tuttavia, alcune linee guida possono essere considerate generali per qualsiasi progetto di PCB. Qui, in questo tutorial, introdurremo alcuni problemi e abilità di base che possono migliorare significativamente la progettazione del PCB.
La distribuzione dell’energia è un elemento chiave in qualsiasi progetto elettrico. Tutti i tuoi componenti fanno affidamento sull’energia per svolgere le loro funzioni. A seconda del progetto, alcuni componenti potrebbero avere collegamenti di alimentazione diversi, mentre alcuni componenti sulla stessa scheda potrebbero avere collegamenti di alimentazione scadenti. Ad esempio, se tutti i componenti sono alimentati da un cablaggio, ciascun componente osserverà un’impedenza diversa, con conseguenti più riferimenti di messa a terra. Ad esempio, se hai due circuiti ADC, uno all’inizio e l’altro alla fine, ed entrambi gli ADC leggono una tensione esterna, ogni circuito analogico leggerà un potenziale diverso rispetto a se stesso.
Possiamo riassumere la distribuzione dell’energia in tre possibili modi: sorgente puntiforme, sorgente stellare e sorgente multipunto.
(a) Alimentazione a punto singolo: l’alimentazione e il filo di terra di ciascun componente sono separati l’uno dall’altro. Il percorso di alimentazione di tutti i componenti si incontra solo in un unico punto di riferimento. Un singolo punto è considerato adatto per il potere. Tuttavia, questo non è fattibile per progetti complessi o di grandi/medie dimensioni.
(b) Sorgente a stella: la sorgente a stella può essere considerata un miglioramento della sorgente a punto singolo. A causa delle sue caratteristiche chiave, è diverso: la lunghezza del percorso tra i componenti è la stessa. La connessione a stella viene solitamente utilizzata per schede segnale complesse ad alta velocità con vari clock. Nel PCB del segnale ad alta velocità, il segnale di solito proviene dal bordo e quindi raggiunge il centro. Tutti i segnali possono essere trasmessi dal centro a qualsiasi area del circuito e il ritardo tra le aree può essere ridotto.
(c) Sorgenti multipunto: considerate comunque scarse. Tuttavia, è facile da usare in qualsiasi circuito. Le sorgenti multipunto possono produrre differenze di riferimento tra i componenti e nell’accoppiamento di impedenza comune. Questo stile di progettazione consente inoltre ai circuiti IC, clock e RF ad alta commutazione di introdurre rumore nei circuiti vicini che condividono le connessioni.
Naturalmente, nella nostra vita quotidiana, non avremo sempre un unico tipo di distribuzione. Il compromesso che possiamo fare è mescolare sorgenti a punto singolo con sorgenti a più punti. Puoi mettere dispositivi analogici sensibili e sistemi ad alta velocità / RF in un punto e tutte le altre periferiche meno sensibili in un punto.
Hai mai pensato se dovresti usare aerei a motore? La risposta è si. La scheda di alimentazione è uno dei metodi per trasferire potenza e ridurre il rumore di qualsiasi circuito. Il piano di alimentazione accorcia il percorso di messa a terra, riduce l’induttanza e migliora le prestazioni di compatibilità elettromagnetica (EMC). Ciò è dovuto anche al fatto che un condensatore di disaccoppiamento a piastre parallele viene generato anche nei piani di alimentazione su entrambi i lati, in modo da impedire la propagazione del rumore.
La scheda di potenza ha anche un evidente vantaggio: grazie alla sua ampia area, permette il passaggio di più corrente, aumentando così il range di temperatura di esercizio del PCB. Ma attenzione: lo strato di potenza può migliorare la temperatura di lavoro, ma bisogna considerare anche il cablaggio. Le regole di tracciamento sono fornite da ipc-2221 e ipc-9592
Per un PCB con una sorgente RF (o qualsiasi applicazione di segnale ad alta velocità), è necessario disporre di un piano di massa completo per migliorare le prestazioni del circuito. I segnali devono essere posizionati su piani diversi ed è quasi impossibile soddisfare entrambi i requisiti contemporaneamente utilizzando due strati di piastre. Se vuoi progettare un’antenna o una qualsiasi scheda RF a bassa complessità, puoi utilizzare due livelli. La figura seguente mostra un’illustrazione di come il tuo PCB può utilizzare al meglio questi piani.
Nella progettazione di segnali misti, i produttori di solito raccomandano che la terra analogica sia separata dalla terra digitale. I circuiti analogici sensibili sono facilmente influenzati da interruttori e segnali ad alta velocità. Se la messa a terra analogica e digitale sono diverse, il piano di messa a terra sarà separato. Tuttavia, presenta i seguenti svantaggi. Dovremmo prestare attenzione all’area di diafonia e loop del terreno diviso causata principalmente dalla discontinuità del piano di terra. L’illustrazione seguente mostra un esempio di due piani terra separati. Sul lato sinistro, la corrente di ritorno non può passare direttamente lungo il percorso del segnale, quindi ci sarà un’area del circuito invece di essere progettata nell’area del circuito destro.
Compatibilità elettromagnetica e interferenza elettromagnetica (EMI)
Per i progetti ad alta frequenza (come i sistemi RF), l’EMI può rappresentare un grave svantaggio. Il piano di massa discusso in precedenza aiuta a ridurre l’EMI, ma secondo il PCB, il piano di massa può causare altri problemi. Nei laminati con quattro o più strati, la distanza del velivolo è molto importante. Quando la capacità tra i piani è piccola, il campo elettrico si espanderà sulla scheda. Allo stesso tempo, l’impedenza tra i due piani diminuisce, consentendo alla corrente di ritorno di fluire sul piano del segnale. Ciò produrrà EMI per qualsiasi segnale ad alta frequenza che passa attraverso l’aereo.
Una soluzione semplice per evitare l’EMI è impedire ai segnali ad alta velocità di attraversare più livelli. Aggiungere il condensatore di disaccoppiamento; E posizionare i via di messa a terra attorno al cablaggio del segnale. La figura seguente mostra un buon design PCB con segnale ad alta frequenza.
Filtro rumore
I condensatori di bypass e le sfere di ferrite sono condensatori utilizzati per filtrare il rumore generato da qualsiasi componente. Fondamentalmente, se utilizzato in qualsiasi applicazione ad alta velocità, qualsiasi pin I/O può diventare una fonte di rumore. Per poter utilizzare al meglio questi contenuti, dovremo prestare attenzione ai seguenti punti:
Posizionare sempre perline di ferrite e condensatori di bypass il più vicino possibile alla fonte di rumore.
Quando utilizziamo il posizionamento automatico e il routing automatico, dovremmo considerare la distanza da controllare.
Evita i via e qualsiasi altro instradamento tra filtri e componenti.
Se è presente un piano di massa, utilizzare più fori passanti per metterlo a terra correttamente.