Proteggi il Tuo Dispositivo con la Schermatura PCB

Altium Designer
|  Creato: October 17, 2021
Assieme di circuiti a forma di scudo su sfondo nero

Nel VII secolo a.C., gli opliti greci portavano un grande scudo circolare concavo chiamato hoplon. Realizzato in bronzo e legno, l'hoplon proteggeva i soldati dal mento fino alle ginocchia e, quando sovrapposto, diventava la base per la falange greca.

All'inizio del XX secolo, gli etiopi usarono i loro scudi per combattere contro l'invasione dell'esercito italiano: i colpi ritmici sugli scudi e le grida di guerra diventarono il terrificante preludio alla battaglia. Così come gli eserciti del passato usavano i loro scudi per proteggersi dagli attacchi e per formulare strategie militari, la progettazione dei PCB fa spesso affidamento a diversi tipi di schermature per proteggere i circuiti sensibili dai segnali RF vaganti.

Negli avamposti del circuito, fili e tracce ribelli fanno tutto il possibile per consentire alle interferenze elettromagnetiche (EMI) di sfuggire ai confini esterni dei loro domini. Queste schermaglie sembrano non finire mai: per questo la schermatura dovrebbe essere una parte importante della strategia di progettazione PCB. Invece che una caratteristica aggiuntiva, i progetti di schermatura dovrebbero diventare parte integrante del processo di progettazione, fin dalle sue fasi iniziali.

Cosa può Fare la Schermatura PCB?

I circuiti RF front-end, di commutazione e clock emettono schermature EMI attraverso percorsi condotti o radiazioni. La combinazione fra una buona progettazione del circuito stampato e una buona schermatura può attenuare le interferenze elettromagnetiche. La progettazione PCB per la schermatura EMI ruota attorno al layout, al posizionamento dei filtri e ai piani di massa. Un PCB ben progettato riduce al minimo la capacità parassita e i loop di massa.

Il metallo, i materiali magnetici e le guarnizioni utilizzati come schermatura prevengono invece le emissioni elettromagnetiche.

Invece di fornire una barriera fisica contro lance e spade, la schermatura PCB simula una gabbia di Faraday collegata a terra. Mentre il piano di massa costituisce il lato inferiore della gabbia, è possibile utilizzare uno schermo metallico per formare gli altri cinque lati.

La schermatura provoca una perdita per riflessione e per assorbimento dell'energia elettromagnetica. La perdita per riflessione varia a seconda del tipo di campo e si verifica come perdita aria-schermo o schermo-aria. Il campo si propaga quindi attraverso lo schermo, creando una perdita per assorbimento, che varia a seconda del tipo di materiale utilizzato. L'efficacia della schermatura è quindi pari alla somma delle perdite per riflessione e assorbimento. La barriera conduttiva nasconde tutto o parte del circuito, assorbe e riflette le radiazioni provenienti dalle antenne ad anello e stabilisce l'isolamento elettrico.

Involucro di schermatura elettromagnetica
Forse non servirà un bastione, ma la creazione di uno chassis è utile in molti progetti.

L'idea di creare un muro con gli scudi divenne popolare grazie alla testuggine delle legioni romane. È possibile utilizzare la schermatura per fornire protezione dalle emissioni elettromagnetiche provenienti da altri circuiti.

I campi elettromagnetici contengono campi elettrici e magnetici con un orientamento perpendicolare l'uno rispetto all'altro. La propagazione si verifica quando il campo elettrico interagisce con il campo magnetico. Una barriera schermante separa le sezioni del PCB attenuando il campo elettrico (campo E) e il campo magnetico (campo H) dell'onda d’interferenza elettromagnetica radiante, con una combinazione di schermatura metallica e magnetica.

Rotondo o Quadrato: Diversi Schermi per Diverse Esigenze

A differenza degli hoplon, gli schermi utilizzati sui PCB non proteggono dal mento al ginocchio. I nemici più subdoli, come la radiazione di apertura e la risonanza della cavità, possono complicare non poco il lavoro. L'interferenza elettromagnetica può comparire ovunque. Per adattarsi a dispositivi elettronici sempre più piccoli, la progettazione della schermatura deve possedere una combinazione di leggerezza, stabilità meccanica ed efficienza elettrica.

La schermatura scelta per la progettazione del circuito dipende da vari fattori: dal tipo di campo (vicino o lontano), delle emissioni, dalla frequenza dell'interferenza e infine dalla natura stessa (elettrica o magnetica) delle interferenze. Ciascuno di questi fattori influenza il tipo e lo spessore dello schermo.

La maggior parte delle emissioni sotto lo schermo si verificano come emissioni in campo vicino. Con le emissioni in campo vicino, la perdita per riflessione e assorbimento varia insieme alla frequenza. Per esempio, un circuito digitale provoca emissioni di campo elettrico che hanno una maggiore perdita per riflessione a frequenze più basse, e una maggiore perdita per assorbimento a frequenze più alte. Gli alimentatori a commutazione, invece, causano l'emissione di campi magnetici con piccole perdite per riflessione e assorbimento alle basse frequenze.

Microchip e schermo per componenti elettronici su scheda blu
Proteggi il tuo progetto e preparalo per qualunque battaglia.

Le emissioni in campo vicino e in campo lontano hanno caratteristiche della sorgente diverse e diversi rapporti E/H. La schermatura EMI è un'emissione in campo lontano. Le sorgenti in campo lontano hanno una maggiore perdita per riflessione alle frequenze più basse, mentre frequenze più elevate causano una maggiore perdita per assorbimento.

Queste due variabili vanno prese in considerazione durante la scelta del materiale di schermatura. La conduttività misura la capacità di conduzione elettrica del materiale di schermatura, mentre la permeabilità ne misura la capacità di magnetizzazione in presenza di un campo magnetico. Una schermatura a elevata permeabilità ha una bassa riluttanza e può guidare un campo magnetico.

Come per la corrente e la resistenza, anche la minima quantità di riluttanza può creare un percorso per il campo magnetico. Lo spessore del materiale di schermatura diventa quindi un fattore importante per i PCB con applicazioni in campi magnetici a bassa frequenza.

L’Efficacia della Schermatura Dipende Anche dalle sue Aperture

Tutte le fortezze hanno i loro punti deboli. Un buon progetto di schermatura deve anche tenere in conto la resistenza meccanica e la necessità di flusso d'aria. Per questo le schermature contengono aperture capaci di ridurre l'accumulo termico, consentendo all'aria di fluire. Il numero e la dimensione delle aperture in un progetto determina l'efficienza della schermatura.

Mentre la presenza di molte aperture riduce l'efficacia della schermatura, sono la spaziatura tra le aperture e la frequenza a determinare l'entità della riduzione. Inoltre, la quantità di perdita da un'apertura dipende dalla dimensione lineare massima dell'apertura.

Qualunque sia il tuo obiettivo, il primo passo verso una produzione di successo è la scelta del giusto software di progettazione PCB. Dotato di vincoli intuitivi, controllo delle regole di progettazione, routing interattivo automatico e un analizzatore PCN, Altium Designer può garantire la protezione del tuo PCB.

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