Padronizzare il controllo dell'EMI nel design dei PCB: Strategie di decoupling per la PDN

Benvenuti al quinto articolo della nostra serie, Dominare il Controllo dell'EMI nel Design dei PCB. In questo articolo, approfondiremo le strategie di distribuzione dell'energia e discuteremo come ottimizzarle per migliorare le prestazioni di Interferenza Elettromagnetica (EMI) nei vostri progetti di PCB.

Figura 1 - Esempio di una strategia di decoupling in Altium Designer^®

Un fattore chiave nel controllo dell'EMI e nel miglioramento dell'integrità del segnale su una scheda a circuito stampato digitale è l'implementazione di strategie di decoupling efficaci. Questi approcci assicurano un'alimentazione energetica pulita e stabile per i Circuiti Integrati (IC) sulla vostra scheda.

Per raggiungere questo obiettivo, i progettisti di PCB devono creare una rete di distribuzione dell'energia (PDN) solida che soddisfi le esigenze energetiche degli IC ad alta commutazione, garantendo che ricevano la giusta quantità di corrente dall'alimentazione. Progettare una PDN che fornisca energia in modo efficiente e tempestivo può essere una sfida. Richiede la riduzione delle perdite e il soddisfacimento delle esigenze di impedenza per alte prestazioni.

Man mano che le velocità dei dati e dei segnali continuano ad aumentare, progettare una rete di alimentazione (PDN) con bassa impedenza diventa più importante e anche più difficile. Questo perché il profilo di impedenza è strettamente correlato alla frequenza dei segnali trasmessi. Bilanciare questi fattori è essenziale per mantenere le prestazioni dei vostri progetti di PCB elevate e minimizzare i problemi di EMI. Quando si tratta di progettare una rete di alimentazione efficace (PDN), vengono utilizzate diverse tecniche comuni, come l'incorporazione di condensatori di disaccoppiamento o l'uso di piani di alimentazione e poligoni di rame nello stackup.

Tuttavia, alcuni metodi ampiamente accettati e miti si sono dimostrati non solo inefficaci, ma anche dannosi per le prestazioni della scheda.

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Anti-risonanza

Una tecnica popolare coinvolge l'uso di più condensatori di dimensioni diverse, tipicamente variando da 10nF a 1µF. L'idea è che i condensatori più grandi forniscano energia ai circuiti integrati (IC), mentre i condensatori più piccoli filtrino il rumore ad alta frequenza. Sebbene questo approccio sembri logico, può effettivamente ritorcersi contro quando si cerca di ridurre l'impedenza complessiva della PDN. Il motivo per cui può essere controproducente è che i condensatori reali non si comportano in modo ideale; hanno effetti parassiti che diventano significativi ad alte frequenze.

I condensatori mostrano un'impedenza capacitiva solo fino alla loro frequenza di risonanza. Oltre questo punto, i parassiti presenti nel pacchetto del condensatore iniziano ad influenzare l'impedenza, causando un comportamento più induttivo dei condensatori. Utilizzare condensatori di dimensioni diverse nel tentativo di ottenere una capacità complessiva maggiore e un'impedenza inferiore può presentare sfide significative. Questo perché ogni condensatore ha un proprio profilo di impedenza distinto, influenzato dalle sue caratteristiche uniche. Ogni condensatore possiede anche una frequenza di risonanza diversa, portando a una situazione in cui questi profili di impedenza si sovrappongono l'uno con l'altro. Questa sovrapposizione dei profili di impedenza risulta in picchi di impedenza più elevati a frequenze specifiche. Questi picchi si verificano a causa dell'interazione tra le varie frequenze di risonanza dei condensatori.

Figura 2 - Anti-risonanza — Effetto del posizionamento in parallelo di condensatori di dimensioni diverse con diversi profili di impedenza. Fonte: fresuelectronics.com

Di conseguenza, l'effetto combinato di queste diverse frequenze di risonanza può creare regioni di impedenza aumentata, che possono impattare negativamente sulle prestazioni complessive della PDN e sull'efficacia della strategia di decoupling.

Per affrontare questo problema, è meglio utilizzare condensatori a Montaggio Superficiale (SMD) dello stesso tipo e pacchetto, con la minima induttanza dei terminali possibile. Collocare questi condensatori in parallelo aiuta a soddisfare i requisiti di capacitanza minimizzando l'induttanza ad alte frequenze. Inoltre, alternare le polarità dei terminali dei condensatori può ridurre l'induttanza reciproca e abbassare l'induttanza complessiva della PDN.

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Posizionamento dei Condensatori

Quando si tratta del posizionamento dei condensatori di disaccoppiamento, è essenziale affrontare il problema dell'induttanza, che diventa sempre più significativo all'aumentare delle frequenze dei segnali. Per mitigare ciò, i condensatori dovrebbero essere posizionati il più vicino possibile ai pin di alimentazione dei Circuiti Integrati (IC) che assorbono corrente per il loro funzionamento. Posizionando i condensatori vicino agli IC, possiamo minimizzare la distanza che la corrente deve percorrere, riducendo così gli effetti induttivi che possono ostacolare le prestazioni ad alte frequenze.

In questo contesto, la preoccupazione principale del progettista non dovrebbe limitarsi alla distanza fisica che la corrente deve percorrere, ma piuttosto, dovrebbe considerare attentamente il percorso esatto seguito dalla corrente. Sebbene sia importante ridurre la distanza tra il condensatore di disaccoppiamento e il pin a cui è connesso, il motivo sottostante è minimizzare l'induttanza parassita associata alle tracce. Questo posizionamento ravvicinato aiuta a garantire che i condensatori possano fornire efficacemente la carica necessaria agli IC, contribuendo a stabilizzare l'alimentazione e mantenere l'integrità del segnale.

Figura 3 - Esempio di posizionamento del condensatore di disaccoppiamento accanto all'IC con Altium Designer

Ottimizzando il percorso, piuttosto che concentrarsi solo sull'accorciarlo, il progettista può garantire che la corrente fluisca nel modo più efficiente, riducendo il potenziale per interferenze elettromagnetiche (EMI) e migliorando le prestazioni complessive del circuito.

Quindi, una corretta pianificazione del percorso può essere tanto critica quanto minimizzare la distanza in sé, poiché entrambi influenzano direttamente gli effetti parassiti che potrebbero compromettere la stabilità e la funzionalità del circuito.

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Oltre ad assicurarsi che i condensatori siano posizionati in stretta prossimità dei circuiti integrati (IC), è altamente raccomandato scegliere condensatori con la più bassa Resistenza Serie Equivalente (ESR) possibile. L'ESR è un parametro critico perché influisce direttamente sull'efficienza del condensatore nel filtrare il rumore ad alta frequenza. Un ESR più basso riduce l'impedenza complessiva tra il condensatore e i pin di alimentazione degli IC, consentendo una soppressione più efficace delle fluttuazioni di tensione e del rumore sulle linee di alimentazione. Inoltre, i condensatori con ESR più basso tendono a mostrare migliori prestazioni su un intervallo di frequenza più ampio, contribuendo ulteriormente alla riduzione dell'interferenza elettromagnetica (EMI) e migliorando l'integrità complessiva dell'alimentazione del progetto.

Piani di Alimentazione

Quando si progetta un circuito stampato multistrato (PCB), è fortemente consigliabile posizionare una coppia di piani di alimentazione e di ritorno, spesso riferiti come piani di “massa”, vicini l'uno all'altro all'interno del pacchetto. Posizionare questi piani in stretta prossimità aumenta la capacità distribuita tra di loro, che a sua volta abbassa l'impedenza complessiva della rete di distribuzione dell'alimentazione (PDN).

La configurazione ideale prevede il posizionamento dei livelli di segnale adiacenti al piano di riferimento di ritorno, comunemente denominato “Terra del Segnale”. Questo posizionamento strategico consente alla corrente di ritorno di fluire con un'area di loop minima, il che aiuta a confinare i campi elettromagnetici generati dai segnali, controllando così l'interferenza elettromagnetica (EMI) e riducendo il rumore. Questa configurazione migliora significativamente l'integrità del segnale, poiché minimizza il diafonia e l'accoppiamento elettromagnetico tra le tracce, garantendo una qualità del segnale più elevata e una comunicazione affidabile attraverso il PCB. Sul lato opposto del piano di riferimento di ritorno, dovrebbe essere posizionato il piano di alimentazione. Questo layout garantisce che il piano di alimentazione possa fornire energia ai circuiti integrati (IC) senza interferenze dal rumore causato dai segnali ad alta commutazione. Separando il piano di alimentazione dai livelli di segnale pur mantenendo una stretta prossimità al piano di riferimento di ritorno, è possibile mitigare l'accoppiamento del rumore e creare un ambiente stabile per la consegna di energia, contribuendo in ultima analisi al funzionamento efficiente dell'intero circuito. Questo arrangiamento migliora sia l'integrità della potenza che quella del segnale, rendendolo una pratica di progettazione fondamentale per PCB multistrato ad alte prestazioni.

Figura 4 - Esempio di un ottimizzato stackup di 6 strati con Altium Designer^®

Utilizzando sia condensatori localizzati, posizionati vicino ai pin di alimentazione degli IC, sia avendo piani di alimentazione e di massa vicini tra loro, si ottiene una soluzione completa. Questa combinazione migliora la Rete di Distribuzione dell'Energia, riduce l'Interferenza Elettromagnetica (EMI) e mantiene una migliore qualità del segnale su tutta la scheda. Inoltre, questo approccio aiuta a distribuire l'energia più uniformemente in tutto il PCB e riduce l'induttanza che si verificherebbe se fosse utilizzato un metodo tradizionale di instradamento dell'alimentazione.

Combinando condensatori ben posizionati con piani di alimentazione e di massa vicini tra loro, si crea un sistema di distribuzione dell'energia più affidabile ed efficiente, garantendo che il tuo PCB funzioni bene e rimanga libero da interferenze.

Guardando al futuro, il nostro prossimo articolo esplorerà il tema della prevenzione del crosstalk. Esploreremo strategie per minimizzare l'interferenza tra i segnali e garantire una comunicazione più pulita e affidabile nei tuoi progetti di PCB, con un focus particolare sulle migliori pratiche per l'EMI. Puoi assicurarti di non perderlo seguendo le pagine e i social media di Altium, così puoi rimanere aggiornato con preziosi spunti e consigli pratici per migliorare i tuoi progetti.

Conclusione

Quando si lavora su progetti avanzati di PCB, Altium Designer^® offre un insieme completo di strumenti che possono semplificare notevolmente il processo per i progettisti di PCB e aiutarti a creare una Rete di Distribuzione Energetica (PDN) efficiente. Una delle caratteristiche chiave di Altium Designer^® è il Gestore del Stackup dei Strati. Questo strumento ti aiuta a selezionare la configurazione di stackup ottimale per il tuo PCB in base alle specifiche esigenze del tuo sistema.

Inoltre, Altium Designer® include potenti strumenti integrati che ti permettono di eseguire simulazioni dettagliate della tua PDN. Queste simulazioni ti aiutano ad analizzare e prendere decisioni informate su come migliorare efficacemente il design della tua scheda.

Per elevare i tuoi progetti di design PCB e sfruttare questi strumenti avanzati, ti incoraggiamo a iniziare la tua prova gratuita di Altium Designer^® e Altium 365^™.

Questo ti darà l'opportunità di sperimentare direttamente come questo strumento CAD completo possa migliorare le tue capacità di progettazione e portare a progetti di PCB più efficienti ed efficaci.