Con la crescente richiesta di PCB ad alta velocità, la progettazione dei circuiti stampati sta diventando sempre più complicata, visto che per gli ingegneri ci sono da tenere in considerazione molti aspetti che influenzano un circuito, come il consumo energetico, la dimensione della scheda, il rumore ambientale e la compatibilità elettromagnetica (EMC).

I 10 punti EMC nella progettazione dei PCB

1. Piani di terra: un impianto di terra a bassa induttanza è l’elemento più importante per minimizzare la EMC, quando si progetta una PCB. Massimizzando l’area di terra su una PCB, si riduce l’induttanza verso terra nell’impianto, che a sua volta ridimensiona le emissioni elettromagnetiche e i crosstalk. I segnali possono essere collegati a terra usando metodi differenti. In un progetto PCB scadente i componenti sono connessi in modo casuale ai punti di terra. Un progetto di questo tipo genera un’alta induttanza e porta ad inevitabili problemi di EMC. Un approccio raccomandato al progetto è quello di avere un piano totale di terra perché offre l’impedenza più bassa al momento in cui la corrente torna alla sorgente. Tuttavia, un piano di terra richiede uno strato della PCB dedicato che potrebbe non essere fattibile per una PCB a due strati. In questo caso, i progettisti potrebbero usare le griglie come mostrato in figura.

L’induttanza in questo caso dipende dallo spazio tra le griglie. Il modo in cui un segnale ritorna all’impianto di terra è anche molto importante perché, quando un segnale prende un percorso più lungo, crea un loop che forma un’antenna e diffonde energia.

Quindi, ogni traccia che porta indietro la corrente alla sorgente, dovrebbe seguire il percorso più breve e andare direttamente al piano di terra. Connettere tutte le messe a terra individuali e poi collegarle al piano di terra non è consigliabile perché non solo accresce la dimensione di un loop di corrente, ma aumenta anche la probabilità di ground bounce. La figura mostra il metodo raccomandato per connettere i componenti al piano di terra.

Anche utilizzare una gabbia di Faraday è un buon meccanismo per ridurre i problemi causati dalla EMC. Nell’immagine seguente è mostrato il meccanismo che limita l’emissione/interferenza da/alla PCB all’interno o all’esterno dei confini stabiliti dalla gabbia.

2. Separazione dei componenti: per un progetto privo di EMC, i componenti sulla PCB necessitano di essere raggruppati secondo la loro funzionalità, come ad esempio circuiti ad alta velocità o a bassa velocità. Per un segnale che passa da un sottosistema ad un altro, dovrebbe essere utilizzato un filtro ai bordi del sottosistema.

3. Strati della board: una disposizione corretta degli strati è vitale dal punto di vista di una EMC. Se vengono utilizzati più di due strati, allora uno strato completo dovrebbe fungere da piano di terra. Nel caso di una board a quattro strati, quello sotto al piano di terra funziona come un piano di potenza (la figura mostra questo tipo di disposizione).

Bisogna fare attenzione al fatto che lo strato di terra dovrebbe sempre trovarsi tra tracce di segnale ad alta frequenza e il piano di potenza. Se una board a due strati viene utilizzata e non è possibile avere un completo strato di terra, allora si usano le griglie.

4. Circuiti digitali: quando si ha a che fare con i circuiti digitali, maggiore attenzione deve essere data ai clock e ad altri segnali ad alta velocità. Le tracce che connettono questi segnali vanno tenute più corte possibili e devono restare adiacenti al piano di terra per mantenere sotto controllo sia la radiazione che il crosstalk. Questo tipo di segnali devono essere tenuti lontano dal piano di potenza, dal momento che sono in grado di indurre rumore sul piano stesso.

5. Interruzione di clock. Le tracce che portano i segnali di clock da una fonte ad un dispositivo NON devono avere delle interruzioni corrispondenti, perché ogni volta che c’è una discordanza di impedenza, una parte del segnale viene riflessa. Se non si pone la dovuta attenzione nel maneggiare questo segnale riflesso, verrà rilasciata una grande quantità di energia.

6. Circuiti analogici. Le tracce che trasportano segnali analogici dovrebbero essere tenute lontano da segnali switch o ad alta velocità e devono essere sempre controllati con un segnale di terra. Un filtro passa-basso si dovrebbe sempre usare per sbarazzarsi del rumore ad alta frequenza. E anche importante non condividere il piano di terra dei sottosistemi analogici e digitali.

7. Sdoppiamento del condensatore. Ogni rumore sull’alimentazione elettrica tende ad alterare la funzionalità di un dispositivo in fase operativa. Di solito, il rumore associato su un’alimentazione elettrica è del tipo ad alta frequenza, quindi si richiede lo sdoppiamento del condensatore per filtrare il rumore stesso. Il condensatore sdoppiato offre un percorso a bassa impedenza per corrente ad alta frequenza. Il percorso seguito dalla corrente mentre essa viaggia verso il terreno forma un ground loop e dovrebbe essere tenuto ad un livello minimo possibile posizionando un condensatore sdoppiato molto vicino all’IC (come si vede in figura).

Un ground loop aumenta la radiazione e può agire come potenziale fonte di guasto della EMC. La reattanza di un condensatore ideale si avvicina a zero con frequenza in aumento. Tuttavia, non esiste sul mercato un condensatore del genere.

8. Cavi. Molti problemi relativi alla EMC sono causati dai cavi che trasportano segnali digitali che agiscono effettivamente come un’antenna efficiente. Idelamente, la corrente che entra in un cavo, lo lascia dall’altro capo. In realtà, però, l’induttanza e la capacitanza parassitarie emettono radiazioni. Utilizzare un doppino ritorto aiuta a mantenere l’accoppiamento ad un livello basso, cancellando ogni campo magnetico indotto. Quando si usa un cavo a nastro, devono essere forniti diversi percorsi di ritorno a terra.

9.Crosstalk. Un cosstalk può esistere tra ogni due tracce su una PCB ed è una funzione di mutua induttanza e mutua capacitanza proporzionale alla distanza tra le due tracce e l’impedenza delle tracce. Nei sistemi digitali, un crosstalk causato da mutua induttanza è tipicamente più grande di un crosstalk causato da mutua capacitanza. La mutua induttanza può essere ridotta aumentando la spaziatura tra le due tracce o riducendo la distanza dal piano di terra.

10. Shielding (schermatura). Lo shielding non è una soluzione elettrica ma un approccio meccanico per ridurre la EMC. Vengono utilizzati pacchetti metallici (materiali conduttivi e/o magnetici) per impedire che EMI esca dal sistema. Uno schermo si può usare per coprire sia l’intero sistema che parte di esso, a seconda dei requisiti. Uno schermo è come un container conduttivo chiuso collegato a terra, che in effetti riduce la dimensione delle antenne ad anello assorbendo e riflettendo una parte della loro radiazione. In questo modo, uno schermo agisce come una partizione tra due regioni di spazio, attenuando l’energia radiata EM da una regione all’altra. Uno schermo riduce l’EMI attenuando sia i componenti E-Field che quelli H-Field di un’onda radiante.

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