10 regole d’oro per uno sbroglio corretto dei circuiti stampati

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Progettare un circuito elettronico non è affatto una cosa semplice. Ci sono tantissime variabili di cui tenere conto: dalla scelta degli integrati più adatti fino al posizionamento, passando per le regole ed i criteri da rispettare per poi poter commercializzare il progetto. Anche se la scelta aumenta ed il mercato è, ormai, sempre più ricco di nuove soluzioni integrate e pronte all'uso, le schede general purpose non sono necessariamente la soluzione più adatta. Quella progettata ad hoc è sempre la migliore quando l'applicazione è particolarmente ostica. Ecco perché è indispensabile ricordare e tenere sempre a mente alcune semplici regole che fanno della progettazione poco più che un gioco. Vediamole insieme.

Le premesse sono le migliori: più sistemi ci sono in circolazione, più scelta abbiamo. Più gli integrati sono performanti e le loro prestazioni diversificate, più i progettisti possono approcciarsi al progetto con tranquillità, sapendo di essere supportati nello sviluppo.
Non sempre, però, la scheda pronta all'uso, o la breakout board, sono l'ideale per chi vuole portare avanti un progetto, anche solo per fare il prototipo.
La progettazione su PCB è ancora la chiave del successo in qualunque applicazione.
Più complessa, sicuramente più faticosa ma è la strada che meglio si adatta alle esigenze di ogni applicazione perché permette di sviluppare sistemi più flessibili e nel contempo giusti per il caso specifico.

Ma come si può fare tutto questo? Ci sono regole standard elementari, basilari, della progettazione? Ci sono dei consigli che si possono dare a chi deve fare la progettazione? E quali sono?
Per rispondere a queste domande abbiamo creato questo articolo nel quale, adesso, insieme, ne vedremo alcune.

1: usare la griglia giusta

La schematizzazione all'interno di un software per la realizzazione del progetto di un circuito prevede l'utilizzo di una griglia le cui maglie siano di dimensione specificata, perchè avere a disposizione la giusta spaziatura tra i punti all'interno della stessa significa poter inserire il giusto numero di componenti.
Anche se talune grid sembrano giuste, ragionare preventivamente su quale sia la migliore da utilizzare, soprattutto in funzione del layout può prevenire diversi problemi di spaziatura e migliorare l'occupazione sulla scheda.
Questo fattore andrà visto anche in relazione al fatto che tantissimi integrati sono disponibili in differenti packages e che queste soluzioni possono essere scelte proprio per ottimizzare questi parametri.

2: che le tracce siano corte

Come regola generale, è utile fare in modo che le piste presenti all'interno di un circuito stampato siano le più corte possibile. Cercate di realizzare collegamenti punto-punto.
Questa regola si applica anche se vuol dire "girare attorno" al circuito.
Come criterio di progetto, risulta particolarmente utile se abbiamo a che fare con circuiti, integrati, analogici o che lavorino su segnali digitali ad altissima velocità. In questo caso, infatti, l'impedenza e gli effetti parassiti limiteranno certamente le prestazioni del circuito ma questi contributi saranno in gioco in maniera sempre più importante man mano che la lunghezza dei collegamenti aumenta.

3: power plane

Non è possibile trattare l'alimentazione come se fosse una pista qualunque. E altrettanto va detto per quanto riguarda la massa.
Se possibile, ma naturalmente dipende dal progetto, conviene utilizzare più linee dedicate all'interno della stessa area sulla scheda.
Occorre anche ricordare che se il piano di massa è realizzato su un'area sufficientemente grande su uno strato può avere un effetto positivo su problemi come il cross-talk tra linee che scorrono su di esso oppure su strati adiacenti.

4: insieme è meglio

Quando state progettando conviene sempre posizionare i componenti discreti che servono, per esempio, per il condizionamento di un amplificatore operazionale nelle sue immediate vicinanze. E questo vale sia se stiamo parlando di capacità di bypass sia se stiamo parlando di resistenze ma anche e soprattutto quando stiamo parlando di quarzi ed oscillatori, i cui collegamenti possono fungere da componenti di impedenza ed induttanza ulteriori rispetto alla caratterizzazione fatta.
Questa regola fa il paio con la seconda e rende non soltanto meno probabili problemi ma anche più facile la verifica del funzionamento ed il test dell'intero dispositivo.

5: mettiamo tutto in ordine

Se la dimensione non dovesse essere sufficientemente “comoda”, in funzione di quello che avete, i costi del prototipo potrebbero aumentare anche considerevolmente.
L'ideale è quello di “stendere” tutta la scheda su un unico piano; chi la dovrà assemblare dovrebbe comunicarvi quale dimensione del pannello è più comoda.
Una volta che sono state controllate tutte le regole di progetto, iniziate a lavorare per posizionare i componenti al meglio, stando all'interno di quelle dimensioni.
Iterando questo processo riuscirete certamente a minimizzare l'occupazione, rendere migliore la realizzazione della scheda e se avrete rispettato anche le regole prima di questa, i costi, che saranno sensibilmente più bassi.

6: occhio ai valori

Qui si sta facendo un progetto e quindi a voi sta il compito di scegliere i componenti (resistori, condensatori, ecc). Il problema più grande sono i valori, mai esattamente precisi quanto li vorreste.
Allora, quale scegliere? Di più? Di meno? Queste scelte cambieranno radicalmente la resa del circuito e potrebbero anche rendere il vostro lavoro completamente vano.
Scegliere valori più piccoli, in generale, potrebbe rendere la BOM meno popolata, il costo complessivo più basso e comunque in generale la realizzazione più semplice.
Un esempio di questo è l'incidenza di un componente semplice come una resistenza che, però, introduce una notevole quantità di rumore se passiamo alla valutazione dell'SNR.

7: DRC, il nostro miglior alleato

Specie se la scheda si sta complicando, la stiamo popolando oppure ci stiamo addirittura spostando su più strati, diventa sempre più importante il controllo delle regole di progetto. Fortunatamente i software CAD con i quali lavoriamo ci consentono di farlo molto spesso, appena ne abbiamo l'esigenza. Ed è proprio questo che dobbiamo fare: controllare sempre più spesso quello che stiamo facendo man mano che il lavoro procede. Ogni decisione che prendiamo quando posizioniamo un componente o prevediamo una pista diventa fondamentale per la buona riuscita dell'intero sistema.

8: la serigrafia come guida

Il titolo di questo paragrafo non è affatto casuale dal momento che una serigrafia può essere il ritratto di quello che stiamo facendo, una fonte di informazioni preziosa così come fare un test.
Avere etichette ed indicazioni chiare che descrivono le funzioni ed i test point sono la base ma anche sapere qual è la tentazione dei componenti o dei connettori deve far parte di un buon progetto e di una buona progettazione.
È fortemente consigliato utilizzare le annotazioni un po' come nella programmazione è utile lavorare con i commenti.
E lavorare su tutti e due i lati della scheda può anche essere utile per ridurre i tempi di re-work.

9: le capacità di disaccoppiamento NON sono un optional!

Che voi siate dei progettisti con vent'anni d'esperienza o che siate ingegneri alle prime armi, dovete tenere sempre a mente che le capacità di disaccoppiamento sono fondamentali.
Se dovete cercare di minimizzare il numero di componenti in uso non cominciate a tagliare eliminando queste capacità: esse non sono affatto un grande costo e il disaccoppiamento delle alimentazioni è davvero indispensabile.
Tenete d'occhio i valori delle capacità e scegliete quelli più adatti anche e soprattutto rispetto a quanto detto nella regola 6.

10: verifica

Una volta che avete fatto il posizionamento, il routing, i controlli, avete inserito le annotazioni e così via dicendo, siete pronti per creare i vostri PCB manufacturing data. Controllate voi stessi sempre per primi i vostri Gerber files, in maniera tale da evitare brutte sorprese.

Vi sarete certamente accorti che non c'è un ordine cronologico nel quale queste regole vadano seguite: si tratta di criteri generali, applicabili a qualunque tipo di sviluppo. Progettare un PCB con l'ausilio di questi semplici criteri sarà di aiuto sia all'ingegnere alle prime armi sia al più scafato dei professionisti con esperienza ventennale.

Man mano che guadagnerete esperienza, gli errori saranno sempre di meno, potrete andare più spediti e riuscirete certamente a ritornare sui vostri passi meno volte ma tenete sempre a mente questo decalogo e il vostro progetto sarà un successo.

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  1. Boris L. 7 luglio 2014

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