Padronizzare il controllo dell'EMI nel design dei PCB: Come scegliere il layout per il design EMC

Uno dei concetti più importanti da padroneggiare quando si progettano PCB che eccellono in termini di Compatibilità Elettromagnetica (EMC) è la scelta dello stackup dei layer del PCB.

Figura 1 - Strumento Layer Stack Manager in Altium Designer

Questo diventa uno degli aspetti più significativi poiché è strettamente legato al contenimento dei campi elettromagnetici nel nostro design del PCB.

In questo terzo articolo della serie Padroneggiare il Controllo EMI nel Design dei PCB, esploreremo ulteriormente questi concetti e daremo anche uno sguardo ad altri importanti concetti EMC.

Perché un segnale possa propagarsi in un circuito, sono necessari due conduttori per formare un circuito completo. Un conduttore trasporta il segnale, e l'altro fornisce il percorso di ritorno, garantendo che la corrente possa fluire e il segnale possa essere trasmesso efficacemente. Uno dei conduttori lo chiamiamo conduttore del segnale, e l'altro lo chiamiamo ritorno del segnale e conduttore di riferimento. Il conduttore di ritorno e di riferimento è così denominato perché il suo compito è fornire non solo il riferimento (o zero volt) per il segnale, ma anche perché deve offrire il percorso di minore impedenza affinché la corrente del segnale possa tornare alla fonte che l'ha originata. Per ottenere il percorso di minore impedenza, la migliore configurazione sarebbe scegliere un piano, invece di una traccia, e questo piano non dovrebbe avere divisioni, tagli o altre segmentazioni che possono creare discontinuità di impedenza per i segnali.

Da questo concetto di base, possiamo vedere che per ogni strato in cui abbiamo un segnale, abbiamo bisogno di avere il secondo conduttore, il piano di ritorno e di riferimento, che fornisce il percorso di ritorno e di riferimento. Seguendo questa semplice regola, possiamo quindi decidere come progettare i nostri stackup, semplicemente abbinando ogni strato di segnale con il Piano di Ritorno e Riferimento (RRP) adiacente.

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Di seguito sono riportati alcuni esempi di impilamenti che minimizzano l'interferenza elettromagnetica.

Esempio di impilamento a 2 strati

Per un impilamento a 2 strati, possiamo avere una configurazione in cui uno strato è dedicato ai segnali e alle tracce di alimentazione, mentre il secondo strato è un piano di ritorno solido di riferimento.

Figura 2 - Esempio di un impilamento a 2 strati con lo strumento Layer Stack Visualizer in Altium Designer

Il piano non dovrebbe avere divisioni o altri grandi vuoti. Questo è anche importante per evitare di instradare segnali sopra i vuoti, che può creare discontinuità di impedenza e allargare i percorsi dei loop di corrente, aumentando in ultima analisi le emissioni irradiate. Se abbiamo tracce che devono attraversare da uno strato all'altro, vogliamo assicurarci che l'attraversamento sia il più breve possibile e che non sia fatto sotto altre tracce di segnale.

Esempio per un impilamento a 4 strati

Lo stesso approccio può essere utilizzato per un impilamento a 4 strati. Questo impilamento è adatto quando la densità di componenti e tracce aumenta e un secondo strato è necessario per instradare le tracce di segnale. Anche se un impilamento a 3 strati potrebbe raggiungere una configurazione simile, tipicamente non è l'opzione migliore per scopi di produzione, poiché i produttori di solito offrono impilamenti di strati a coppie.

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Per uno stackup a 4 strati, ci sono due configurazioni efficienti:

1. La prima configurazione ha i piani di ritorno come piani incorporati nello stackup. Ciò significa che il primo e il quarto strato saranno i piani dei segnali, mentre i secondi e terzi strati forniranno il ritorno e il riferimento per i segnali sui primi e quarti strati, rispettivamente.

2. La seconda configurazione ha i piani di ritorno sui primi e quarti strati, che agiscono come una sorta di schermo per il circuito, mentre i piani dei segnali sono sui secondi e terzi strati, incorporati nello stackup. In questa configurazione, vogliamo aumentare lo spazio tra i secondi e terzi strati in modo che i campi di entrambi i segnali non interferiscano l'uno con l'altro. Invece, ogni strato di segnale si accoppia con i piani di ritorno.

In entrambe le configurazioni, dovrebbero anche essere implementati dei via di collegamento tra i piani di ritorno. I principali scopi di ciò sono:

• Creare una sorta di schermo di Faraday per ridurre le emissioni e le interferenze esterne;

• Mantenere i piani il più equipotenziali possibile e ridurre le tensioni in modo comune;

• Fornire il ritorno e il riferimento per i segnali che transitano verticalmente da uno strato all'altro.

In questo caso, l'alimentazione sarà inoltre instradata sui piani dei segnali.

Figura 3 - Esempio di un impilamento a 4 strati con lo strumento Layer Stack Visualizer in Altium Designer

L'ipotesi di avere uno strato completamente dedicato all'alimentazione in un impilamento a 4 strati è intenzionalmente esclusa, poiché ciò non è consigliato per scopi di progettazione EMC a causa del rumore di tensione in modo comune che può creare se non eseguito correttamente. Questo argomento richiede tecnicismi più approfonditi, che lasceremo per un'altra volta.

Esempio per un impilamento a 6 strati

L'impilamento a 6 strati offre un grado maggiore di libertà nel modo in cui assegniamo gli strati di segnale e di alimentazione.

Figura 4 - Esempio di un impilamento a 6 strati con lo strumento Layer Stack Visualizer in Altium Designer

Due impilamenti molto efficaci possono fornire ottime prestazioni in termini di EMC:

1. Impilamento 1: I segnali sono instradati sui livelli 1 e 6, con piani di riferimento di ritorno sui livelli 2 e 5, e ulteriori livelli di segnale sui livelli 3 e 4. Questa configurazione permette ai livelli 2 e 5 di fungere da piani di ritorno e di riferimento per tutti e quattro i livelli di segnale, invece di solo due. Ciò è reso possibile dall'effetto pelle, che consente correnti diverse su ciascun lato dei piani senza mescolarsi. L'effetto pelle è sostanzialmente la tendenza di una corrente alternata (AC) a distribuirsi all'interno di un conduttore in modo tale che la densità di corrente sia maggiore vicino alla superficie del conduttore, diminuendo verso il centro. Questo fenomeno si verifica perché il campo magnetico variabile generato dalla CA induce correnti parassite che si oppongono al flusso di corrente nel centro del conduttore, costringendo la corrente a fluire maggiormente in periferia. In questo tipo di impilamento, le reti di alimentazione possono essere instradate insieme ai livelli di segnale.

2. Impilamento 2: I segnali sono instradati sui livelli 1 e 6, con i livelli 2 e 5 che fungono da strati di riferimento per il ritorno. In questa configurazione, i livelli 3 e 4 sono utilizzati come piani di alimentazione. Questo impilamento è molto efficace, specialmente quando è richiesta più potenza o è necessaria una rete di distribuzione dell'energia a bassa impedenza. Si raccomanda di utilizzare piani solidi e omogenei sia per gli strati di riferimento per il ritorno sia per i piani di alimentazione. Non è consigliabile utilizzare diversi poligoni su un singolo strato, poiché ciò può generare rumore in modo comune e risultare in emissioni irradiate quando i cavi sono connessi. Dedicare un piano per ogni tensione per evitare questi problemi e migliorare la rete di distribuzione dell'energia (PDN) della scheda.

Come con l'impilamento a 4 strati, assicurarsi che ci sia una distanza sufficiente tra i livelli interni di segnale e di alimentazione per evitare accoppiamenti tra di loro, massimizzando al contempo l'accoppiamento con gli strati di riferimento per il ritorno. Inoltre, quando possibile, dovrebbero essere implementati dei via di collegamento tra i piani di riferimento per il ritorno.

Esempi di Impilamenti Multistrato Semplici con Altium Designer

Fortunatamente, scegliere l'impilamento della PCB diventa più facile con Altium Designer^®.

Con lo strumento integrato Layer Stack Manager, puoi creare impilamenti personalizzati per i tuoi PCB o utilizzare impilamenti preimpostati, rendendo il lavoro del progettista di PCB molto più semplice. Lo strumento Layer Stack Manager consente anche di creare tipi di impilamenti più avanzati, dove puoi anche calcolare l'impedenza caratteristica per i tuoi segnali senza la necessità di calcolatrici di terze parti.

Questa è una delle molte funzionalità di Altium Designer^® che permette la creazione di progetti PCB senza interruzioni e accurati, rendendo il processo di progettazione non solo più facile ma anche più piacevole.

Nel prossimo articolo, esploreremo come progettare e ottimizzare i PCB per bassa EMI. Assicurati di rimanere aggiornato seguendo le nostre pagine e i social media per non perdertelo.

Nel frattempo, puoi iniziare oggi stesso la tua prova gratuita di Altium Designer^® + Altium 365^™ e portare i tuoi progetti di design PCB al livello successivo.