Padroneggiare il controllo delle interferenze elettromagnetiche (EMI) nella progettazione dei PCB: Come progettare PCB per bassa EMI

Benvenuti al quarto articolo della nostra serie su Padroneggiare il Controllo dell'EMI nel Design dei PCB. In questa puntata, esploreremo aspetti avanzati della gestione dell'Interferenza Elettromagnetica (EMI) che sono cruciali per un efficace design dei PCB.

Quando si progettano schede a circuito stampato (PCB), una sfida chiave è garantire che il proprio design possa superare sia i test di emissioni irradiate che quelle condotte. Questo è vitale per soddisfare gli standard normativi e assicurare che il proprio PCB funzioni correttamente nel suo ambiente previsto, senza causare interferenze ad altri dispositivi e sistemi.

È altrettanto importante ottenere l'immunità sia dalle emissioni esterne che interne, il che aiuta a garantire l'affidabilità e le prestazioni del prodotto finale.

Figura 1 - Esempio di Design PCB in Altium Designer®

Quando si progetta per l'Interferenza Elettromagnetica (EMI), è importante comprendere che le emissioni sono principalmente causate da variazioni di corrente nei nostri circuiti, piuttosto che dalla tensione. Questo significa che tutti i circuiti emetteranno inevitabilmente un certo livello di radiazione elettromagnetica a causa delle intrinseche variazioni di corrente al loro interno. La sfida principale per i progettisti è gestire e controllare l'entità di questa radiazione.

Per ottenere una migliore Compatibilità Elettromagnetica (EMC), dobbiamo concentrarci sulla progettazione di schede a circuito stampato che contengano ed minimizzino efficacemente queste emissioni elettromagnetiche.

Questo comporta affrontare due principali tipi di emissioni:

• Emissioni da Correnti in Modalità Differenziale;
• Emissioni da Correnti in Modalità Comune.

Figura 2 - Correnti in Modalità Differenziale vs Modalità Comune in un circuito (il percorso di ritorno della corrente in modalità comune non è mostrato). Rif: Dario Fresu

Il modo più semplice per comprendere queste correnti è pensare alle correnti in modalità differenziale come flussi in "direzioni opposte" attraverso percorsi differenti, mentre le correnti in modalità comune scorrono nella stessa direzione "comune" lungo i percorsi del circuito.

Come Minimizzare le Emissioni da Correnti in Modalità Differenziale

Le correnti in modalità differenziale sono essenziali per il normale funzionamento di un circuito. Queste correnti fluiscono tra circuiti integrati (IC) e componenti, e fanno parte del design del circuito nel PCB.

Si muovono in loop definiti dal layout del circuito, e la dimensione di questi loop influisce sul livello delle emissioni prodotte. Più grande è il loop (ovvero, maggiore è l'area), più alte sono le emissioni. Inoltre, frequenze più elevate risultano in emissioni aumentate.

Per ridurre queste emissioni, abbiamo alcune strategie:

1. Ridurre la quantità di corrente che scorre attraverso le tracce
2. Ridurre la frequenza delle correnti
3. Minimizzare l'area dei circuiti di corrente

Ridurre corrente e frequenza (opzioni 1 e 2) è spesso impraticabile perché possono impattare significativamente sull'efficienza del circuito. L'approccio più pratico, che i progettisti di PCB possono controllare più direttamente, è minimizzare l'area racchiusa da questi circuiti di corrente.

Figura 3 - Esempio di un circuito di corrente in un PCB con Altium Designer®

Un metodo molto efficace è utilizzare un piano di riferimento di ritorno vicino alle tracce del segnale nello stack dei layer. Facendo ciò, l'area racchiusa dalla corrente in avanti e di ritorno diventa molto piccola, minimizzando le emissioni. Questo, insieme al mantenere le tracce del segnale il più corte possibile, produrrà il miglior risultato in termini di riduzione delle emissioni da correnti in modalità differenziale.

Ovviamente, la disposizione dei componenti, la riduzione del crosstalk del segnale e la gestione di altri meccanismi di accoppiamento che possono trasferire rumore ai cavi vicini sono anche importanti per ridurre le emissioni. Tuttavia, questi fattori sono secondari rispetto alla tecnica principale di minimizzare l'area dei circuiti di corrente.

Questa tecnica ha un impatto più diretto e significativo sulla riduzione delle emissioni perché affronta la causa principale delle emissioni delle correnti in modalità differenziale.

Come Minimizzare le Emissioni da Correnti in Modo Comune

Un altro tipo importante di corrente, di cui i progettisti devono essere a conoscenza, è la corrente in modo comune. A differenza delle correnti in modo differenziale, che sono intenzionalmente progettate nel circuito, le correnti in modo comune non sono esplicitamente considerate negli schemi. Queste correnti non sono necessarie per il funzionamento del circuito e sorgono principalmente a causa dei parassiti all'interno del progetto.

Identificare e controllare queste correnti parassite può essere piuttosto difficile perché le loro fonti non sono sempre ovvie. Le correnti in modo comune sono tipicamente generate quando le correnti in modo differenziale scorrono attraverso elementi parassiti nel circuito.

Figura 4 - Le lacune nei piani di ritorno sono spesso una causa di radiazione in modo comune (Altium Designer®)

Questi parassiti si trovano soprattutto nei conduttori di riferimento di ritorno, comunemente noti come conduttori di “Terra” o “Terra del Segnale”. Il problema con i parassiti nei conduttori di riferimento di ritorno sorge principalmente perché, in realtà, componenti e conduttori non sono perfetti e sono lontani dall'essere ideali.

Ad esempio, le tracce di rame in un circuito non hanno solo resistenza ma mostrano anche induttanza e capacità. Queste proprietà parassite diventano sempre più significative all'aumentare delle frequenze del segnale.

A differenza delle emissioni in modo differenziale, che sono principalmente influenzate dalla dimensione del circuito di corrente, le correnti in modo comune sono influenzate principalmente dalle lunghezze dei conduttori e dalla frequenza del rumore. Tuttavia, l'impatto della lunghezza dei conduttori diventa meno significativo oltre un certo punto, che non esploreremo ulteriormente qui in questo articolo.

Per cavi elettricamente corti, le emissioni di corrente in modo comune possono essere modellate come trasmissione di antenna dipolo (o monopolo), piuttosto che trasmissione di antenna a loop. Questo cambiamento nella modellazione influisce su come vengono prodotte e controllate le emissioni.

Per ridurre efficacemente le emissioni dalle correnti in modo comune alla fonte, dovremmo considerare le seguenti strategie:

• Ridurre la quantità di corrente in modo comune;
• Abbassare la frequenza della corrente in modo comune;
• Minimizzare la lunghezza dei conduttori che contribuiscono alle emissioni in modo comune.

Una strategia chiave è concentrarsi sulla riduzione della lunghezza delle tracce di segnale. Sebbene non sia sempre possibile accorciare tutti i conduttori a causa dei vincoli del sistema, i progettisti dovrebbero sforzarsi di minimizzare le lunghezze delle tracce dove possibile. Questo sforzo aiuta a mitigare le emissioni dal PCB, specialmente man mano che le frequenze dei segnali continuano ad aumentare.

Utilizzare un piano di rame solido come piano di ritorno e di riferimento è un'altra tecnica efficace. Questo metodo riduce l'induttanza che la corrente di ritorno deve attraversare, diminuendo così la fonte di tensione in modalità comune che alimenta queste emissioni.

Fornendo un percorso a bassa impedenza per le correnti di ritorno, un piano di rame solido (senza divisioni o tagli) aiuta a mantenere l'integrità del segnale e a ridurre l'EMI.

Come Minimizzare le Emissioni Utilizzando le Vias di Collegamento

Un'altra tecnica raccomandata per ridurre le emissioni in modalità comune negli stackup multistrato con più piani di riferimento di ritorno è l'uso di vias di collegamento tra questi piani. Le vias di collegamento, connettono i diversi strati di riferimento di ritorno, assicurando che rimangano allo stesso potenziale elettrico. Questa connessione aiuta a ridurre le fonti di tensione in modalità comune che alimentano le emissioni in modalità antenna dipolo (o monopolo), che possono diminuire significativamente il rumore indesiderato e l'EMI.

Figura 5 - Esempio di vias di collegamento in Altium Designer®

Oltre a ridurre le emissioni in modalità comune, le vias di collegamento sono vitali per fornire un percorso di ritorno della corrente affidabile e un potenziale di riferimento per i segnali che transitano tra gli strati nello stackup. Questo impedisce le emissioni tra i piani, che altrimenti potrebbero interferire non solo con l'EMI, ma anche con l'integrità del segnale e le prestazioni complessive del PCB.

Conclusioni

Quando si progettano schede a circuito stampato (PCB) tenendo in mente un efficace controllo dell'Interferenza Elettromagnetica (EMI), avere gli strumenti giusti è essenziale. Il software avanzato per la progettazione di PCB ti consente di gestire vari parametri di design e garantisce che le tue schede siano realizzate con eccezionale precisione ed efficienza. Questi strumenti sono fondamentali per gestire requisiti di design complessi e confermare che le tue strategie di mitigazione dell'EMI siano correttamente applicate, portando a PCB più affidabili e ad alte prestazioni.

Altium Designer® si distingue come uno strumento esemplare in questo dominio, offrendo un'integrazione senza soluzione di continuità nel tuo flusso di lavoro di progettazione. Fornisce la flessibilità e le capacità avanzate necessarie per sfruttare appieno la tua competenza e passione per la progettazione di PCB, rendendo più semplice implementare strategie efficaci di controllo dell'EMI.

Per continuare a perfezionare i tuoi progetti di PCB, è fondamentale rimanere informati. Nel nostro prossimo articolo, copriremo le strategie di decoupling per le Reti di Distribuzione dell'Energia (PDN), fornendoti ulteriori spunti per migliorare le tue pratiche di progettazione.

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