Padronizzare il controllo delle interferenze elettromagnetiche nel design dei PCB: Posizionamento dei componenti per la compatibilità elettromagnetica

In questo secondo articolo della serie Padroneggiare il Controllo dell'EMI nel Design dei PCB, approfondiremo uno dei concetti chiave per mantenere bassi livelli di interferenza elettromagnetica (EMI).

La segregazione della scheda, nota anche come partizionamento della scheda, è un metodo utilizzato per organizzare le diverse parti del circuito di una Scheda a Circuito Stampato (PCB) per mantenerle separate. Questo migliora le prestazioni generali della scheda, in particolare in termini di EMI. Questa tecnica non solo aiuta a ridurre l'interferenza elettromagnetica ma migliora anche l'integrità del segnale del design del PCB.

I principi dietro queste tecniche includono:

1. Contenere il contenuto ad alta energia dei segnali digitali ad alta frequenza.
2. Evitare l'accoppiamento a impedenza comune tra diversi tipi di circuiti all'interno della scheda.
3. Ridurre le aree dei loop di corrente per diminuire le emissioni e migliorare l'immunità alle interferenze esterne.

Segnali ad Alta Velocità vs. Bassa Velocità e le Loro Armoniche

Il primo concetto riguarda il controllo del contenuto armonico ad alta energia prodotto dai segnali che cambiano rapidamente e quanto velocemente cambia la loro corrente nel tempo. Un tasso di cambio della corrente più elevato risulta in una maggiore energia armonica nei segnali, aumentando la probabilità di radiazione.

Il secondo concetto è che la corrente di ritorno di un segnale varia con la frequenza del segnale. Questo perché l'impedenza che un segnale incontra durante la propagazione non consiste solo nella resistenza dei conduttori, ma anche nella loro capacità e, soprattutto, nella loro induttanza di loop. Man mano che la frequenza del segnale aumenta, la componente induttiva dell'impedenza (che dipende dalla frequenza) diventa maggiore.

Differenze nei Percorsi di Ritorno

Dato che la corrente cerca sempre il percorso di minore impedenza, è importante capire che, man mano che la frequenza del segnale aumenta, la corrente di ritorno segue da vicino la corrente del segnale per minimizzare l'anello induttivo. Al contrario, a basse frequenze del segnale, dove l'induttanza diventa piccola, la componente resistiva dell'impedenza diventa predominante.

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A questo punto, la corrente di ritorno si diffonde sulla superficie del conduttore per trovare il percorso di minore resistenza. Il punto critico per i progettisti di PCB è che il percorso della corrente di ritorno verso la sorgente dipende dalla frequenza del segnale.

Figura 1 - Esempio di diverso percorso di corrente di ritorno basato sulla frequenza in Altium Designer

Il nostro lavoro come progettisti di PCB è quello di minimizzare l'interferenza tra queste correnti di ritorno per evitare l'accoppiamento a impedenza comune, che può portare a emissioni elettromagnetiche. Per raggiungere questo obiettivo, possiamo creare zone o sezioni specifiche nel PCB, ciascuna dedicata a un particolare tipo di circuito. Questo riduce anche i loop di corrente, portando a meno radiazioni da correnti in modalità differenziale.

Potrebbe sembrare allettante creare una divisione nel Piano di Riferimento di Ritorno (RRP) per isolare ulteriormente i percorsi delle correnti di ritorno dai diversi circuiti. Tuttavia, questo approccio non segue le migliori pratiche per l'EMC perché crea una differenza di tensione tra due aree metalliche, formando una struttura simile a un'antenna che può causare emissioni elettromagnetiche.

Figura 2 - Esempio di una divisione errata del piano in Altium Designer

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La soluzione è implementare un piano di riferimento di ritorno solido e a bassa impedenza che permetta alla corrente di ritorno di trovare il percorso preferenziale di ritorno alla sorgente. Questo piano non dovrebbe avere tagli, divisioni o grandi lacune che possano agire come fonti di rumore in modalità comune. La disposizione dei componenti dovrebbe poi essere divisa in sezioni distinte distribuendo i componenti in base al loro tipo di circuito e funzione.

Per una scheda a segnali misti, la tipica segregazione prevede di dividere la scheda in una sezione digitale, una sezione di alimentazione, una sezione analogica, una sezione di input/output e, quando necessario, una sezione di filtraggio. La sezione digitale, ad esempio, dovrebbe essere posizionata lontano dagli altri componenti. Sebbene la corrente di ritorno seguirà da vicino le tracce del segnale, l'alta energia nel contenuto armonico dei segnali si irradierà più efficacemente e potrebbe accoppiarsi con altre sezioni della scheda.

Un esempio di ciò è quando il segnale dell'orologio si accoppia ad altre reti in altre parti della scheda, come le sezioni di alimentazione e analogiche, che possono avere cavi connessi che agiscono come antenne, promuovendo emissioni.

Strutture di Antenna con Cavi

La sezione di input/output è cruciale, non solo per limitare l'iniezione di rumore nei cavi ma anche per permettere ulteriore isolamento attraverso tecniche di filtraggio e schermatura per ridurre l'interferenza esterna o limitare le emissioni di rumore dalla scheda. Il layout deve considerare cavi e dispositivi o strutture circostanti. La sezione digitale dovrebbe essere posizionata lontano da questa area di input/output, idealmente all'interno della scheda, lontano dai bordi, per evitare di accoppiare il contenuto armonico ad alta energia ai cavi o di irradiare dai bordi.

Figura 3 - Esempio di una divisione errata del piano in Altium Designer

Inoltre, si raccomanda di posizionare tutti i cavi di ingresso e uscita su un lato della scheda invece che su più bordi, prevenendo differenze di tensione tra i cavi ed evitando strutture simili ad antenne che possono promuovere la radiazione di segnali digitali o rumore.

Conclusione

Seguendo queste raccomandazioni, è possibile ridurre efficacemente le emissioni irradiate e limitare l'accoppiamento di interferenze esterne nel vostro progetto.

Nel prossimo articolo, esploreremo come selezionare il migliore stackup PCB per migliorare le prestazioni EMI e ridurre il rischio. Assicuratevi di seguire le nostre pagine e i social media per ulteriori approfondimenti.

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