Errori di progettazione PCB da principianti e come evitarli

Quando si inizia a progettare PCB, si è soliti considerare il processo come un semplice "collegamento di punti": non è particolarmente importante il modo in cui vengono realizzati i collegamenti, purché vengano realizzati. 

Purtroppo, questo approccio non potrebbe essere più lontano dalla verità. In qualità di progettisti di PCB, e soprattutto considerando la velocità sempre maggiore dei dispositivi elettronici e gli standard di emissione più severi, dobbiamo occuparci dei dettagli più intricati dei PCB e delle interconnessioni. Se siamo negligenti, rischiamo una scarsa integrità del segnale e una scarsa compatibilità elettromagnetica.

Dopo aver esaminato un certo numero di PCB di altri progettisti di circuiti stampati negli ultimi anni e aver ripensato ad alcuni dei miei primi progetti di schede per PC, ho purtroppo riscontrato degli errori comuni a tutti o quasi.

Questo articolo ha lo scopo di illustrare i cinque principali errori di progettazione di PCB commessi dai principianti e cosa possiamo fare per evitare di commetterli. Iniziamo!

Spaziatura della traccia

I produttori avranno le spaziature minime che possono produrre. Più piccola è la distanza richiesta, più la scheda sarà generalmente costosa.

Un errore comune per i principianti è presumere che il semplice rispetto del minimo consentito o fabbricabile sia la strada da percorrere. Come mostrato sopra, le tracce di tutti i tipi di segnale sono raggruppate insieme con la sola limitazione della regola di progettazione impostata sulla spaziatura minima da traccia a traccia consentita dal produttore.

Purtroppo, questo modo di instradare non solo è più difficile da produrre e tende a causare una resa inferiore del PCB, ma aumenta anche significativamente l'accoppiamento da traccia a traccia, portando quindi a un aumento della diafonia e del rumore.

In particolare, avere lunghi tratti di tracce ravvicinate e parallele è altamente sconsigliato, a meno che non sia inevitabile.

Pertanto, il nostro primo semplice consiglio è di mantenere uno spazio adeguato tra le tracce. Come regola generale, tale spazio corrisponde a un minimo di tre volte la spaziatura tra il layer di segnale e il layer di riferimento adiacente. Ad esempio, per uno spessore dielettrico di 0,11 mm, puntiamo ad avere una spaziatura minima di 0,33 mm tra le tracce, ma se possibile anche maggiore.

Larghezze della traccia

Un altro errore comune tra i progettisti di PCB principianti è quello di utilizzare la stessa larghezza per qualsiasi tipo di traccia, sia che questa trasporti energia, sia un nodo ad alta impedenza, un segnale ad alta velocità e così via.

Può essere conveniente utilizzare la stessa larghezza di traccia sull'intero progetto, ma certamente questa non è una scelta ottimale. 

Le tracce e le loro larghezze devono essere dimensionate in base a vari fattori. Ad esempio, una traccia che trasporta una corrente maggiore deve essere più larga, una traccia per segnali sensibili e ad alta impedenza deve essere più sottile e una traccia per segnali RF deve solitamente avere un'impedenza controllata.

Molti saranno sorpresi dal fatto che, ad esempio, una traccia larga 0,2 mm può gestire fino a circa un ampere di corrente per un aumento di temperatura di soli 20 gradi centigradi!

Dimensionamento del via

Come nel caso delle tracce, anche i via devono essere dimensionati in modo appropriato. Per i via, abbiamo due parametri principali da determinare: il diametro complessivo del via e il diametro di perforazione. Sottraendo il diametro di perforazione dal diametro del via e dimezzando il risultato, si arriva all'anello anulare.

Il produttore avrà capacità minime sia per il diametro di perforazione che per l'anello anulare. I progettisti PCB principianti in genere rendono il diametro di perforazione troppo grande o troppo piccolo, oppure l'anello anulare troppo piccolo per essere prodotto in modo affidabile (se non addirittura non producibile!).

La mia raccomandazione per un via "standard" è di 0,7 mm di diametro con una perforazione da 0,3 mm. Tale via può facilmente trasportare da uno a due ampere di corrente.

Disaccoppiamento

Per i progettisti di PCB alle prime armi, il corretto disaccoppiamento è un aspetto spesso trascurato. Purtroppo, però, il disaccoppiamento è fondamentale per un sistema corretto e funzionante. 

Un buon disaccoppiamento con connessioni a bassa impedenza garantisce un'alimentazione adeguata ai circuiti integrati che richiedono una grande quantità di energia in breve tempo. Man mano che i tempi di risalita e discesa dei circuiti integrati diminuiscono e la domanda di corrente aumenta, questo diventa un problema più critico.

Possiamo ottenere un buon disaccoppiamento posizionando i condensatori di disaccoppiamento vicino ai pin IC pertinenti, utilizzando tracce corte e larghe e posizionando i via di alimentazione in prossimità l'uno dell'altro. 

Piani di riferimento

Il consiglio finale è quello di utilizzare riferimenti solidi (più comunemente, piani "GND" o "0V") nei progetti.

Un gran numero di ingegneri progettisti si occupa solo del percorso in avanti di un segnale. Tuttavia, i segnali e l'elettricità viaggiano in circuiti chiusi e devono tornare a una fonte.

Si scopre che quando si dispone una traccia AC (con una frequenza maggiore di pochi kHz) su un PCB, la corrente di ritorno si trova istantaneamente nel piano sottostante. Ciò è dovuto ai campi elettromagnetici contenenti l'energia effettiva del segnale e generati tra la traccia e il piano.

Pertanto, dobbiamo assicurarci di predisporre un piano di riferimento direttamente al di sotto per i segnali AC. Questo può essere 0V o, in alcuni casi, un piano di alimentazione di riferimento adatto. Dobbiamo anche assicurarci di non creare grandi vuoti o spaccature in questo piano di riferimento e, se lo facciamo, di non attraversare queste divisioni con una traccia sul layer del segnale per evitare di creare problemi EMI critici.