La progettazione di un PCB per applicazioni ad alta velocità

La progettazione del layout di una scheda destinata ad applicazioni ad alta velocità richiede un'attenta pianificazione del design del footprint, del posizionamento dei componenti, e del routing delle tracce di collegamento. Questo articolo descrive alcune direttive essenziali per la progettazione del layout di un PCB ad alta velocità.

Introduzione

Nella progettazione di un PCB, si pensa molto all'organizzazione schematica, ai materiali della scheda, alla configurazione degli strati della scheda, al posizionamento dei componenti critici, e al routing (instradamento) dei segnali ad alta velocità. Ma una cosa non riceve la stessa attenzione del resto degli aspetti della progettazione: le forme dell'impronta (in inglese “footprint”) degli elementi di un PCB, come i componenti, tracce, pad ed altri. Sebbene i componenti utilizzati nella progettazione ad alta velocità non siano molto diversi dalla progettazione convenzionale, ci sono alcune piccole differenze da considerare che possono aiutare ad eseguire una progettazione di PCB ad alta velocità più performante. La cosa principale da considerare durante la valutazione delle forme dell'impronta è la dimensione delle forme dell'impronta del pad (piazzola). I pad sono in metallo nudo, su essi verranno saldati i pin dei componenti una volta che il PCB è stato prodotto. In genere, alcune delle forme del pad vengono replicate per produrre un'intera forma dell'impronta di un componente. Approssimativamente, i pad del PCB sono più grandi del 30% rispetto ai pin.

Le dimensioni del pad vengono calcolate attentamente considerando i problemi di fabbricazione che potrebbero sorgere durante il processo di produzione. Per una progettazione ad alta velocità, il metallo in più può aumentare la capacità parassita e la lunghezza di connessione tra i componenti critici. Per soddisfare le esigenze di alta velocità, le dimensioni del pad devono essere ridotte per evitare le capacità parassite. Invece di aumentare la dimensione del pad del 30% rispetto alla dimensione effettiva del pin, sarebbe utile aumentarla solo di un piccolo margine, ad esempio del 5%.

Inoltre, le lunghezze di connessione possono essere ridotte diminuendo la spaziatura tra i componenti. L'implementazione di dimensioni di pad più piccole non influisce sulla resistenza meccanica poiché l'area di contatto tra i pin ed il PCB rimane la stessa. I pad più piccoli occupano meno spazio sulla scheda, ma i costi di produzione aumentano. Il progettista deve comprendere le capacità di produzione di un produttore di PCB prima di ridurre le dimensioni del footprint dei pad. Un'altra tecnica di progettazione che può aiutare nella progettazione ad alta velocità è l'arrotondamento degli angoli dei pad. Prevedere pad arrotondati consentirà al progettista di instradare le tracce più vicine ai pad, ciò ridurrà le lunghezze di connessione creando un circuito compatto. Anche il posizionamento sistematico dei componenti gioca un ruolo importante nella progettazione di PCB ad alta velocità. Ci sono alcune strategie da considerare per i circuiti ad alta velocità, il primo passo nella progettazione del layout di PCB è avere una planimetria. Una planimetria è un disegno di massima in cui sono assegnate le aree generali dove i blocchi di circuiti devono essere posizionati sulla scheda.

La planimetria relaziona lo schema elettrico al layout, e fornisce un vantaggio al progettista nel posizionamento dei componenti. Una planimetria di pre-posizionamento consentirà al progettista di ottimizzare il posizionamento dei componenti per obiettivi di integrità del segnale. Inoltre, i piccoli componenti, come i condensatori di bypass ed i resistori di terminazione, verranno posizionati in una fase iniziale anziché essere compressi nella progettazione finale. I blocchi funzionali dei circuiti come il condizionamento dell’alimentazione, blocchi circuitali a radio frequenza (RF), digitali, analogici, ecc., dovrebbero essere organizzati come gruppi per ridurre l'incrocio delle tracce dei segnali. Una planimetria fornisce un'idea di come i segnali scorrono tra i blocchi funzionali. Per una scheda efficiente, è importante raggruppare i diversi circuiti in modo che i loro segnali non debbano attraversare aree sensibili dei circuiti. Pianificare il posizionamento consente di prevedere il collegamento dei componenti più corto possibile. I componenti che fanno parte di percorsi di segnale ad alta velocità in cui più reti collegano una serie di componenti, devono essere posizionati il più vicino possibile.

Il progettista deve considerare i percorsi di routing durante la pianificazione del posizionamento dei componenti per garantire che vi sia spazio adeguato. I requisiti dei piani di alimentazione e di terra devono essere presi in considerazione anche quando si pianifica il posizionamento dei blocchi funzionali dei circuiti. Occorre implementare sempre piani di alimentazione continui a meno che non vi sia uno scenario in cui il progetto richieda un piano di alimentazione separato. Quando si ha a che fare con piani di alimentazione separati, ad esempio piano di alimentazione digitale e piano di alimentazione analogico, prestare attenzione durante il posizionamento dei componenti che andranno collegati ai rispettivi piani. Le linee di trasmissione ad alta velocità non devono attraversare lo spazio tra i piani di alimentazione poiché interromperanno il percorso di ritorno di tali segnali. Infine, evitare di posizionare componenti di un diverso gruppo funzionale nel mezzo di un altro circuito. Anche questo influirà sul percorso di ritorno del circuito.

Strategie di progettazione di un PCB ad alta velocità

Fin qui abbiamo analizzato a grandi linee i punti salienti da considerare preliminarmente prima di affrontare il progetto di un PCB per circuiti ad alta velocità. A questo punto, procediamo a descrivere passo-passo le fondamentali strategie di progettazione.

Dallo schema elettrico al posizionamento dei componenti

Come primo passo, si studia lo schema elettrico del progetto e lo si suddivide in sottosezioni a seconda della funzione del blocco circuitale. Ad esempio, blocco analogico, digitale, ad alta frequenza, ad alta corrente, alimentazione, ecc. La Figura 1 mostra una planimetria di esempio sul posizionamento di blocchi funzionali.

Figura 1: Planimetria di posizionamento di blocchi funzionali

Oltre alla funzione del circuito, devono essere analizzati i livelli di tensione e corrente. I circuiti alimentati con linee VCC e GND simili vanno raggruppati e posizionati insieme. Durante la pianificazione del posizionamento dei componenti, è importante riferirsi allo schema elettrico del circuito e alle sottosezioni che sono state assegnate nella planimetria. Identificare i componenti principali del circuito, come i microprocessori, chip Ethernet, moduli RF, memorie, ecc., e posizionarli secondo la planimetria, prevedendo che le tracce da eseguire saranno più corte possibili tra i componenti più critici secondo le specifiche della scheda tecnica dei componenti, e che renda il flusso del segnale il più fluido e unidirezionale possibile. Quindi, posizionare i componenti associati ai componenti principali come oscillatori a cristallo, condensatori di disaccoppiamento, resistori di terminazione, ecc.

Di seguito, vengono descritte alcune delle considerazioni sul posizionamento ottimale dei componenti.

Innanzitutto, occorre evitare di posizionare dispositivi sensibili ad alta velocità vicino al bordo della scheda. Questo, perché il bordo della scheda presenta diverse caratteristiche di impedenza, e c'è anche una maggiore probabilità di interferenza elettromagnetica (EMI). Oltre a ciò, i connettori che collegano il PCB possono irradiare EMI. In considerazione di questi fattori, sarà una buona norma posizionare dispositivi ad alta velocità vicino al centro della scheda per ridurre l'influenza delle EMI. L'effetto termico è un altro aspetto cruciale da considerare. Nelle schede ad alta velocità, i dispositivi possono funzionare ad una temperatura più elevata rispetto ai componenti standard della scheda. Per garantire che questi componenti si raffreddino, implementare una strategia di posizionamento in cui questi componenti ricevano un flusso d'aria senza restrizioni. Ad esempio, non posizionare componenti più grandi come i connettori nel percorso del flusso d'aria verso un componente caldo.

Posizionamento dei resistori di terminazione

Nei PCB ad alta velocità, i resistori di terminazione devono essere posizionati insieme al resto dei componenti anziché alla fine del progetto del layout, una volta che le parti principali del circuito sono state posizionate. Poiché i resistori di terminazione fanno parte del circuito nel suo insieme, il loro posizionamento è fondamentale per il funzionamento accurato del circuito.

Di seguito, vengono descritti i due casi di terminazione resistiva da considerare.

Terminazione in parallelo: un resistore di terminazione viene posizionato con un terminale all'estremità più vicina al pin di carico del circuito da terminare, mentre l'altro terminale è collegato al piano di alimentazione o di terra. Maggiore è la lunghezza della traccia dal pin di carico al resistore di terminazione, maggiore è la suscettibilità del circuito alla riflessione del segnale (il circuito risulterà “disadattato”). Quindi, il resistore di terminazione va posizionato più vicino possibile al pin di carico del circuito.

Terminazione in serie: il resistore di terminazione viene collegato in serie immediatamente tra il pin di carico e il resto del circuito. Poiché il resistore è una parte in serie, non deve essere considerata la lunghezza dei terminali come nel caso del resistore di terminazione in parallelo. Dopo aver stabilito la strategia giusta per posizionare i resistori di terminazione, si possono includere nella planimetria. In considerazione delle strategie di cui sopra, insieme al percorso del circuito ed ai requisiti di alimentazione e messa a terra, è possibile elaborare un progetto idoneo alla realizzazione del layout ad alta velocità. Sebbene l'intero processo di posizionamento dei componenti sia impegnativo, il modo in cui viene eseguito determinerà la perfetta producibilità delle schede.

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