Padroneggiare il controllo delle interferenze elettromagnetiche (EMI) nella progettazione PCB: Come si propagano i segnali in un PCB

Progettare circuiti stampati (PCB) per la compatibilità elettromagnetica (EMC) richiede una solida comprensione della propagazione dei segnali dal punto di vista dei campi e delle correnti elettromagnetiche. Questi concetti sono importanti perché ci aiutano a progettare PCB con bassi livelli di emissioni di campi elettromagnetici e bassa suscettibilità alle emissioni o alle interferenze esterne.

In questo primo articolo della serie Mastering EMI Control in PCB Design , approfondiremo questi concetti e vedremo come applicarli alla progettazione dei circuiti stampati.

Concetto di Propagazione del Segnale in una Linea di Trasmissione

Quando si pensa a come un segnale si propaga in un PCB, è importante spostarsi dall'analogia dell'acqua che scorre attraverso i tubi a un pensiero in termini di campi elettromagnetici e linee di trasmissione. Una linea di trasmissione è una struttura progettata per trasferire energia sotto forma di campi elettromagnetici contenuti da un punto all'altro. Nel contesto dei circuiti stampati, la linea di trasmissione è formata da almeno due conduttori. Entrambi i conduttori sono ugualmente importanti nel contenere i campi elettromagnetici e nel guidarli da un punto all'altro nel circuito. Se uno dei due conduttori è assente, i campi elettromagnetici, che compongono i segnali, rimangono non contenuti, con il potenziale rischio di fallimenti nei test EMC a causa dell'espansione di questi campi.

Un concetto molto importante che emerge da questo è che il segnale elettromagnetico non è contenuto all'interno del conduttore, ma nello spazio tra due conduttori, nel dielettrico e attorno ad esso. Il nostro obiettivo in termini di EMC è massimizzare i campi elettromagnetici contenuti tra i due conduttori e ridurre i campi elettromagnetici circostanti.

Figura 1 - Rappresentazione della propagazione di un segnale digitale in un PCB

Nei PCB, i due conduttori utilizzati per la propagazione del segnale sono il conduttore di potenziale del segnale e il conduttore di ritorno e di riferimento del potenziale. Il modo più semplice per immaginarlo è in una scheda a due strati, dove lo strato superiore connesso alla sorgente del segnale è utilizzato per instradare le tracce del segnale, e lo strato inferiore è uno strato solido di rame connesso alla sorgente del segnale ma anche al riferimento di potenziale del segnale (Vedi Figura 1). Ciò che chiamiamo segnale è il campo elettromagnetico contenuto tra questi due conduttori. Questo significa che il segnale non è contenuto in un singolo conduttore, ma è l'energia elettromagnetica contenuta nel dielettrico tra questi due conduttori. Ciò significa anche che le proprietà del materiale dielettrico influenzano la propagazione del segnale, in particolare la sua influenza sulla velocità con cui il segnale (o onda EM) si propaga, che è la velocità della luce nel dielettrico. Ci saranno punti tra i due conduttori dove il segnale è presente e punti dove il segnale non è ancora arrivato. In un segnale digitale, il punto tra queste due zone dove abbiamo il segnale completo e dove non abbiamo ancora segnale è chiamato bordo del segnale o frontiera del segnale. Questo è il punto di transizione dalla logica a basso livello alla logica ad alto livello nel segnale digitale.

In termini di EMC, questo punto è estremamente importante perché è qui che i campi elettrici e magnetici passano da bassi ad alti tra i conduttori. Maggiore è la velocità con cui cambia questo stato energetico, ovvero più velocemente il segnale passa dal livello logico basso al livello logico alto, maggiore è il cambiamento di energia compresso in un breve lasso di tempo. Man mano che il segnale si propaga dalla sua sorgente alla sua destinazione nella linea di trasmissione, la frontiera del segnale o il bordo del segnale guida la propagazione del segnale.

Corrente Diretta, Corrente di Ritorno e Corrente di Dislocazione

Un altro concetto importante è che se seguiamo il bordo del segnale mentre si propaga, vedremo che, poiché il bordo anteriore è un cambiamento del campo elettromagnetico, questo genererebbe una corrente di dislocazione nel dielettrico tra i due conduttori. Questo fenomeno è spiegato dalle quattro equazioni di Maxwell messe insieme da Oliver Heaviside, in particolare dalla legge di Ampère-Maxwell. Il modo più semplice per immaginarlo è pensare a come scorre la corrente attraverso un condensatore quando viene applicata una sorgente AC (Vedi Figura 2).

Figura 2 - Condensatore (a) senza campi E applicati (b) campo E positivo applicato (c) campo E negativo applicato

In realtà, non esiste corrente di conduzione tra le piastre del condensatore e il suo dielettrico, ma le cariche legate contenute nel dielettrico semplicemente polarizzano (si spostano) seguendo i campi applicati delle piastre del condensatore. Questo apparirà come se una corrente di conduzione stesse fluendo attraverso la piastra del condensatore. Il concetto di corrente di dislocazione è importante per capire come sia possibile formare una corrente durante la propagazione del segnale, specialmente prima che raggiunga il carico. Come insegnato nei corsi di teoria dei circuiti classici, la corrente scorre sempre in anelli. Quindi, come è possibile avere una corrente anche prima che il segnale raggiunga il carico e quindi prima che stabilisca una corrente di conduzione continua che vada dalla sorgente al carico e poi torni alla sorgente per formare l'anello di corrente? Questo è possibile grazie alla corrente di dislocazione, che consente alla corrente di continuare a fluire in anelli mentre il segnale si propaga. Senza la corrente di dislocazione, avendo solo la corrente di conduzione, non avremmo propagazione del segnale, poiché l'anello di corrente formato solo dalla corrente di conduzione non sarebbe in grado di chiudere l'anello prima di raggiungere il carico. Questo significherebbe che una corrente di conduzione dovrebbe fluire attraverso il dielettrico, il che per definizione non è possibile. Ma con questa corrente apparente, la corrente di dislocazione, l'anello si chiude istantaneamente man mano che il segnale si propaga.

La combinazione della corrente di conduzione e della corrente di dislocazione darà luogo a un anello di corrente che si propaga seguendo il bordo del segnale. Questo anello di corrente, come mostrato nella Figura 3, può essere diviso in tre porzioni:

Figura 3 - Anello di corrente e Corrente di dislocazione

• La corrente diretta, che scorre nella direzione del segnale verso il carico sul conduttore dello strato superiore.
• La corrente di ritorno, che scorre nella direzione opposta del segnale tornando verso la sorgente sul conduttore del lato inferiore.
• La corrente di dislocazione, che collega le altre due porzioni di corrente “scorrendo” attraverso il dielettrico tra i conduttori e seguendo il bordo del segnale.

Contenere l'Energia del Segnale per Controllare l'EMI

Gestire il contenimento dei campi elettromagnetici tra i conduttori e controllare il percorso di flusso della corrente è estremamente importante per progettare PCB che non solo superano ma eccellono anche in compatibilità elettromagnetica e integrità del segnale (Vedi Figura 4).

Figura 4 - Esempio di un design PCB avanzato con Altium Designer® visualizzatore 3D

Questo approccio ci consente di controllare le emissioni alla loro sorgente e di evitare di progettare strutture PCB che permettano il accoppiamento di interferenze esterne.

Nel prossimo articolo della serie, discuteremo come migliorare il posizionamento dei componenti per ridurre efficacemente l'EMI. Per assicurarvi di non perderlo, rimanete sintonizzati seguendo le nostre pagine e i social media.

Conclusioni

Per progettare PCB che soddisfino questi elevati standard, è necessario disporre di strumenti avanzati che forniscano un controllo preciso su ogni aspetto del proprio design. Altium Designer® offre un set completo di funzionalità per la progettazione di layout PCB e simulazione, garantendo che i vostri progetti soddisfino tutti i requisiti di progettazione. Il motore integrato delle regole di progettazione e gli strumenti di simulazione online aiutano a verificare la conformità alle vostre specifiche di progettazione mentre tracciate il vostro PCB.

Quando il vostro design è completo, rilasciate senza soluzione di continuità i file al vostro produttore utilizzando la piattaforma Altium 365™, che semplifica la collaborazione e la condivisione dei progetti.

Potete iniziare la vostra prova gratuita di Altium Designer + Altium 365 oggi e portare i vostri design PCB al livello successivo.