Tecniche di messa a terra PCB per fori di montaggio PCB placcati

Ogni volta che inserisci la tua scheda in un involucro, questa dovrà essere montata in qualche modo sul contenitore stesso. Al fine di fornire un supporto sicuro senza danneggiare la superficie del PCB con una vite, la soluzione tipica consiste nel posizionare semplicemente dei fori placcati negli angoli. Questi fori di montaggio PCB hanno generalmente il pad esposto sotto la maschera di saldatura in modo che, se necessario, il punto di montaggio possa essere collegato elettricamente a uno dei collegamenti. Una questione che spesso si pone in questo caso è quella dei fori di messa a terra e di montaggio della scheda.

Il montaggio dovrebbe essere messo a terra nella progettazione? In tal caso, come dovrebbe essere configurato? I fori dovrebbero essere sempre collegati allo chassis, solo a una messa a terra interna o da qualche altra parte?Questa è una domanda divertente e solitamente provoca risposte opposte, cioè "sempre" o "mai". Una persona affermerà di aver sempre rettificato i fori di montaggio sul involucro, mentre un'altra sosterrà che non bisogna mai farlo perché rovinerebbe la progettazione. Come la maggior parte delle regole di progettazione che vengono formulate in questo modo, la risposta reale è più complessa e coinvolge molti aspetti del progetto, dalla potenza in ingresso alla struttura del sistema di messa a terra. Se comprendi come vengono definite potenza e messa a terra in ingresso al PCB, sarà più facile progettare una strategia di montaggio che tenga conto adeguatamente della messa a terra.

Come progettare i fori di montaggio PCB

Come suggerisce il nome, i fori di montaggio PCB vengono utilizzati per fissare il circuito stampato a un involucro. Ci sono alcuni aspetti su cui tutti sono d'accordo quando si tratta di fori di montaggio PCB:

• I fori di montaggio dovrebbero essere placcati, poiché questa modalità consente il montaggio con viti metalliche.
• Poiché le punte di metallo fluttuanti possono essere fonti di EMI, i fori di montaggio devono essere collegati a un collegamento di messa a terra (terra (PE), massa del segnale (SGND), un involucro con messa a terra, ecc.).
• I fori di montaggio devono avere dimensioni che consentono di accogliere alcuni elementi di fissaggio di dimensioni standard.
• I fori di montaggio possono essere non placcati, anche se questo metodo è attuabile solo se nella progettazione sono utilizzati viti o distanziatori in plastica.

Ne ho discusso un po' in dettaglio in un precedente articolo sui fori di lavorazione, principalmente perché alcune risorse importanti non fanno distinzione tra fori di montaggio e fori di lavorazione. Per i progettisti questa è una distinzione importante, in quanto i fori di montaggio diventeranno quasi certamente parte del sistema di messa a terra della scheda, quindi occorre considerare esattamente come questo fatto influenzerà l'EMI e la sicurezza nella progettazione.

Collegare i fori di montaggio placcati all'involucro è la prassi migliore e la massa del chassis può essere collegata a una messa a terra, se tale connessione è disponibile. Tuttavia, questo non è sempre il caso, come ad esempio in un sistema alimentato a batteria con elementi metallici nel involucro. A seconda di come sono collegati i fori di montaggio del PCB, l'involucro e la terra, il dispositivo potrebbe riscontrare dell'EMI o produrre una scossa elettrica per l'utente. Quest'ultimo caso è un problema che può verificarsi in un computer di potenza quando il chassis dell'alimentatore non è ben collegato a terra (quando è collegato) o al terminale negativo dell'alimentazione (quando è scollegato). Se le tecniche di messa a terra dei circuiti stampati sono implementate correttamente, anche con un'adeguata connessione a terra, è possibile eliminare qualsiasi connessione a terra flottante, che è uno degli usi principali dei fori di montaggio dei circuiti stampati con messa a terra in un involucro metallico.

Tecniche di messa a terra e fori di montaggio PCB

L'immagine sopra non deve essere considerata come un'eccessiva generalizzazione; in alcuni casi potrebbe non essere affatto necessario che il foro di montaggio sia collegato a terra alla scheda, ma che sia collegato a terra al involucro. In altri casi, non avrai scelta: devi mettere a terra il foro di montaggio su una connessione interna perché non c'è nessun'altra possibilità. La tecnica di messa a terra del PCB applicata a un foro di montaggio dovrebbe tenere conto della corrente da gestire, della frequenza di tale corrente e dei problemi di sicurezza come l'ESD. Purtroppo, non esiste un approccio unico che affronti ogni possibile situazione, ma si spera che i punti seguenti spieghino come pensare alle connessioni di terra che si presentano durante il montaggio di un PCB.

Caso 1: bassa corrente CC, nessun isolamento galvanico

Le tabelle seguenti mostrano alcune situazioni che dovrebbero spiegare come gestire un foro di montaggio su PCB placcato come parte delle tecniche di messa a terra standard per i PCB. Qui, stiamo considerando casi con CC a 3 fili (POS, NEG e una connessione GND di terra), CC a 2 fili (solo POS e NEG) e CA a 3 fili rettificata a CC.

Ovviamente, queste non sono le uniche situazioni possibili in cui dovrai definire il GND a bassa corrente. Queste linee guida sono destinate principalmente alla soppressione delle EMI dall'involucro metallico (o da un involucro in plastica con elementi metallici) grazie all'impostazione della messa a terra dell'involucro e del PCB allo stesso potenziale.

Nel sistema a 3 fili e nel sistema AC a 3 fili/CC a 2 fili, se è necessario collegare il PE e il GND ad alimentazione negativa all'interno del sistema, fallo nel punto di ingresso. In questo modo si evitano i loop GND e si garantisce che gli elementi metallici nell'involucro forniscano la schermatura senza fluttuare. Questo sistema imita il cablaggio residenziale: il collegamento tra la terra del circuito e la terra del sistema viene fornito solo all'ingresso del sistema (ad es., all'interruttore), ma NON al punto in cui l'alimentazione viene restituita al GND. Tuttavia, questo collegamento viene solitamente creato in corrispondenza della spina della presa a muro o dell'interruttore, e la creazione di un collegamento aggiuntivo dalla scheda all'involucro potrebbe creare un piccolo loop di massa attraverso il cavo di ingresso.

Problemi con il caso 1 in una custodia metallica

CC a 3 fili con messa a terra/chassis collegato: se i fori di montaggio del PCB fanno da ponte tra il GND del PCB e l'involucro in un punto, si potrebbe avere un loop GND sul cavo quando la parte a monte del cavo è collegata a terra. Se collegato in più punti, hai più connessioni di sicurezza a GND e un bel percorso a terra per correnti vaganti, ESD, ecc., ma rischi di creare loop di terra CC attorno alla scheda tramite l'involucro (evita questi loop con connessioni solide e a bassa impedenza). Anche se c'è un singolo punto di montaggio placcato sulla scheda, si potrebbero comunque avere correnti accoppiate in modo capacitivo per il rumore ad alta frequenza, con conseguente rumore in modalità comune all'ingresso. Il miglior equilibrio tra sicurezza, soppressione delle EMI e basso rumore è quello di placcare i fori di montaggio, collegarli all'involucro metallico, ma lasciarli scollegati dalla massa di segnale della scheda; se necessario, è sempre possibile creare percorsi per le ESD con circuiti di soppressione.

In questo caso ci sono alcuni problemi potenziali. È necessario garantire un collegamento a terra a bassa impedenza se si desidera avere un qualche effetto sulla sicurezza

Alimentazione a 3 fili rettificata a 2 fili: se l'involucro è metallizzato, è necessario collegare il PCB GND ad esso solo attraverso i fori di montaggio placcati. Questo vale quando il cavo non è schermato e viene alimentato solo da due fili. Tuttavia, quando tutto (raddrizzatore + uscita CC) è su una scheda, è necessario seguire le linee guida precedenti per un sistema generale a 3 fili. Presta attenzione ai possibili loop GND. La corrente continua può avere problemi di loop attraverso il piano del involucro/GND se ci sono collegamenti multipli dei fori di montaggio a GND, ma i collegamenti multipli sono generalmente preferibili se il problema è il rumore ad alta frequenza o la possibilità di sorgenti multiple di ESD in punti diversi della scheda. Pensa al problema specifico che vuoi risolvere 

DC a 2 fili: questo caso si verifica quando si dispone di una batteria o di un alimentatore da banco e può essere equivalente al caso precedente. Ancora una volta, prima di intraprendere questa strada pensa al problema specifico che vuoi risolvere: vorrai assicurarti che la tua strategia di messa a terra tenga conto dei problemi che devi risolvere, poiché non esiste un unico metodo di messa a terra in grado di risolvere ogni problema. Ne parlo qui perché, nell'elettronica di oggi, molti dispositivi utilizzano esattamente questa configurazione a 2 fili e cercano di bilanciare la sicurezza rispetto al rumore RF cercando di sopprimere il rumore in modalità comune.

Se hai a che fare con una batteria, le correnti sono generalmente abbastanza basse e, purché tu abbia connessioni a impedenza molto bassa all'ingresso dell'alimentatore, puoi collegare l'involucro con il GND della scheda attraverso i fori di montaggio PCB placcati. Idealmente, questo avviene in un solo punto (l'ingresso dell'alimentatore) se vuoi semplicemente collegare le masse e assicurarti che non ci sia nulla di flottante. L'esecuzione di questa operazione in più punti offre una maggiore sicurezza rispetto alle correnti ESD/stray in luoghi diversi, soprattutto in prossimità dei connettori (guarda l'esempio dell'Ethernet industriale): in pratica è quello che fa il tuo portatile con il suo involucro metallico quando è scollegato. Tuttavia, adesso hai correnti che si spostano attraverso l'involucro (ed eventualmente attraverso l'utente) e la possibilità di loop di massa: entrambi questi aspetti sono negativi per la sicurezza dell'utente e per le applicazioni di misura di precisione.

La situazione ideale che sto descrivendo per il sistema di alimentazione CC a 3 fili e per il sistema di alimentazione CC rettificato a 3 fili/2 fili consiste nel collegare la terra e l'involucro attraverso un unico foro di montaggio all'ingresso dell'alimentazione, e solo con il foro di montaggio collegato a terra alla massa del circuito stampato. L'impedenza tra l'involucro e la terra deve essere la più bassa possibile, in genere con una vite o un morsetto di messa a terra di grandi dimensioni.

Purtroppo, la messa a terra di tutto con un foro di montaggio placcato all'ingresso del circuito stampato non è sempre praticabile: i circuiti stampati con un foro di montaggio potrebbero avere il foro al centro della scheda, che non sempre è l'ingresso dell'alimentazione. Generalmente sono presenti più fori di montaggio: di solito si trovano agli angoli della scheda, ma una scheda grande potrebbe averli distribuiti attorno al PCB per fornire supporto strutturale e prevenire le vibrazioni. Se tutti i fori di montaggio sono placcati ed effettuano lo stesso collegamento tra scheda e involucro, esiste la possibilità dei loop di massa. Inoltre, c'è sempre un accoppiamento capacitivo per il rumore ad alta frequenza che crea un rumore di modalità comune che circola verso il lato I/O della scheda, ovvero un loop di massa ad accoppiamento capacitivo per il rumore ad alta frequenza.

Chiaramente, è necessario bilanciare le soluzioni "utilizzare più fori di montaggio placcati per garantire la massima sicurezza ESD", "usare un solo foro di montaggio placcato e lasciare tutti gli altri non placcati per evitare loop di massa e rumore", e "garantire la messa a terra dell'involucro per ottenere una bassa EMI e un'elevata schermatura". Considera attentamente i requisiti di progettazione prima di collegare il tuo PCB GND con l'involucro e la terra utilizzando fori di montaggio placcati.

Caso 2: alta corrente con isolamento galvanico

Questo caso può rivelarsi complicato, in quanto il rumore non è sempre il problema principale in questo contesto, il problema è quello della sicurezza. Questo tipo di sistema è comune per gli alimentatori e uno degli obiettivi nel fornire l'isolamento galvanico è quello di evitare che una scossa dal lato primario raggiunga il lato di uscita. Inoltre, non vogliamo distruggere l'isolamento collegando i lati di ingresso e uscita del sistema con i collegamenti all'involucro. Pertanto, utilizza una connessione di terra sull'involucro e collega il PCB con fori di montaggio placcati solo al chassis.

In questo caso, si consiglia vivamente di mettere a terra il chassis, effettuare un collegamento PCB GND-terra solo all'ingresso dell'alimentazione, quindi utilizzare i fori di montaggio placcati per il collegamento solo al chassis. Questa operazione è mostrata nell'immagine qui sopra. Sul lato secondario/di uscita di un sistema isolato, esegui le stesse operazioni: collega solo fori di montaggio placcati al chassis, ma non al PCB GND sul lato secondario. Per impedire l'emissione di rumore irradiato dalla regione GND secondaria, collega le regioni GND primarie e secondarie con un condensatore di classe Y. In questo modo si garantisce l'isolamento galvanico per le correnti CC, ma si assicura che tutte le aree GND siano allo stesso potenziale per le correnti CA.

Suggerimenti di base per la progettazione di fori di montaggio PCB

Un foro di montaggio su circuito stampato è davvero una caratteristica elettrica che potresti dare per scontata nella tua progettazione PCB. Da un punto di vista meccanico, assicurati che questi componenti abbiano un foro e un pad sufficientemente grandi per accogliere un dispositivo di fissaggio, consentendo al contempo un collegamento elettrico a bassa impedenza con il chassis, se necessario. A parte questi punti, è importante ricordare che la semplice messa a terra di tutti i fori di montaggio su un involucro metallico non risolverà tutti i problemi. Le tecniche di messa a terra del PCB implementate con i fori di montaggio non risolvono tutti i problemi di EMI o di sicurezza, quindi assicurati di elaborare una strategia di messa a terra che risolva i tuoi problemi specifici nel sistema.

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