Nella progettazione PCB, la compatibilità elettromagnetica (EMC) e le relative interferenze elettromagnetiche (EMI) sono sempre stati due problemi importanti che hanno causato grattacapi agli ingegneri, soprattutto nella progettazione di circuiti stampati e nell'imballaggio dei componenti di oggi si stanno riducendo e gli OEM richiedono sistemi a velocità più elevata.
1. La diafonia e il cablaggio sono i punti chiave
Il cablaggio è particolarmente importante per garantire il normale flusso di corrente. Se la corrente proviene da un oscillatore o altro dispositivo simile, è particolarmente importante mantenere la corrente separata dal piano di massa o non lasciare che la corrente corra parallela a un'altra traccia. Due segnali paralleli ad alta velocità genereranno EMC ed EMI, in particolare diafonia. Il percorso della resistenza deve essere il più breve possibile e il percorso della corrente di ritorno deve essere il più breve possibile. La lunghezza della traccia del percorso di ritorno deve essere uguale alla lunghezza della traccia di invio.
Per EMI, uno è chiamato “cablaggio violato” e l’altro è “cablaggio vittima”. L'accoppiamento di induttanza e capacità influenzerà la traccia “vittima” a causa della presenza di campi elettromagnetici, generando così correnti dirette e inverse sulla “traccia vittima”. In questo caso, le ondulazioni verranno generate in un ambiente stabile dove la lunghezza di trasmissione e la lunghezza di ricezione del segnale sono quasi uguali.
In un ambiente di cablaggio ben bilanciato e stabile, le correnti indotte dovrebbero annullarsi a vicenda per eliminare la diafonia. Tuttavia viviamo in un mondo imperfetto e cose del genere non accadranno. Pertanto, il nostro obiettivo è ridurre al minimo la diafonia di tutte le tracce. Se la larghezza tra le linee parallele è doppia rispetto alla larghezza delle linee, l'effetto della diafonia può essere ridotto al minimo. Ad esempio, se la larghezza della traccia è 5 mil, la distanza minima tra due tracce parallele dovrebbe essere pari o superiore a 10 mil.
Con la continua comparsa di nuovi materiali e nuovi componenti, i progettisti di PCB devono continuare ad affrontare problemi di compatibilità elettromagnetica e interferenze.
2. Condensatore di disaccoppiamento
I condensatori di disaccoppiamento possono ridurre gli effetti negativi della diafonia. Dovrebbero essere posizionati tra il pin di alimentazione e il pin di terra del dispositivo per garantire una bassa impedenza CA e ridurre il rumore e la diafonia. Per ottenere una bassa impedenza su un ampio intervallo di frequenze, è necessario utilizzare più condensatori di disaccoppiamento.
Un principio importante per posizionare i condensatori di disaccoppiamento è che il condensatore con il valore di capacità più piccolo dovrebbe essere il più vicino possibile al dispositivo per ridurre l'effetto di induttanza sulla traccia. Questo particolare condensatore è il più vicino possibile al pin di alimentazione o al tracciato di alimentazione del dispositivo e collega il pad del condensatore direttamente al piano via o di terra. Se la traccia è lunga, utilizzare più via per ridurre al minimo l'impedenza di terra.
3. Collegare a terra la scheda PCB
Un modo importante per ridurre le EMI è progettare il piano di massa del PCB. Il primo passo è rendere l'area di messa a terra quanto più ampia possibile all'interno dell'area totale del circuito stampato, in modo da ridurre le emissioni, la diafonia e il rumore. È necessario prestare particolare attenzione quando si collega ciascun componente al punto di terra o al piano di terra. Se ciò non viene fatto, l’effetto neutralizzante di un piano di massa affidabile non sarà pienamente utilizzato.
Un design PCB particolarmente complesso ha diverse tensioni stabili. Idealmente, ciascuna tensione di riferimento ha il proprio piano di terra corrispondente. Tuttavia, se lo strato di base è eccessivo, aumenterà il costo di produzione del PCB e renderà il prezzo troppo alto. Il compromesso consiste nell'utilizzare i piani di massa in tre o cinque posizioni diverse e ciascun piano di massa può contenere più parti di massa. Ciò non solo controlla il costo di produzione del circuito, ma riduce anche EMI ed EMC.
Se si desidera ridurre al minimo la compatibilità elettromagnetica, è molto importante un sistema di messa a terra a bassa impedenza. In un PCB multistrato, è meglio avere un piano di terra affidabile, piuttosto che un piano di terra ladro di rame o sparso, perché ha una bassa impedenza, può fornire un percorso di corrente ed è la migliore sorgente di segnale inverso.
Anche il periodo di tempo in cui il segnale ritorna a terra è molto importante. Il tempo tra il segnale e la sorgente del segnale deve essere uguale, altrimenti si produrrà un fenomeno simile ad un'antenna, rendendo l'energia irradiata una parte dell'EMI. Allo stesso modo, le tracce che trasmettono corrente alla/dalla sorgente del segnale dovrebbero essere le più brevi possibile. Se la lunghezza del percorso di origine e del percorso di ritorno non sono uguali, si verificherà un rimbalzo del terreno, che genererà anche EMI.
4. Evitare un angolo di 90°
Per ridurre le interferenze elettromagnetiche, evitare che cavi, vias e altri componenti formino un angolo di 90°, poiché gli angoli retti genereranno radiazioni. In questo angolo, la capacità aumenterà e anche l'impedenza caratteristica cambierà, portando a riflessioni e quindi a EMI. Per evitare angoli di 90°, le tracce dovrebbero essere instradate verso gli angoli almeno a due angoli di 45°.
5. Utilizzare i via con cautela
In quasi tutti i layout PCB, è necessario utilizzare dei via per fornire connessioni conduttive tra i diversi strati. Gli ingegneri del layout PCB devono prestare particolare attenzione perché i via generano induttanza e capacità. In alcuni casi produrranno anche riflessioni, poiché l'impedenza caratteristica cambierà quando viene realizzato un passaggio nella traccia.
Ricorda inoltre che i via aumenteranno la lunghezza della traccia e dovranno essere abbinati. Se si tratta di una traccia differenziale, i via dovrebbero essere evitati il più possibile. Se non è possibile evitarlo, utilizzare i via in entrambe le tracce per compensare i ritardi nel segnale e nel percorso di ritorno.
6. Cavo e schermatura fisica
I cavi che trasportano circuiti digitali e correnti analogiche generano capacità e induttanza parassite, causando molti problemi legati alla compatibilità elettromagnetica. Se si utilizza un cavo a doppino intrecciato, il livello di accoppiamento verrà mantenuto basso e il campo magnetico generato verrà eliminato. Per i segnali ad alta frequenza, è necessario utilizzare un cavo schermato e la parte anteriore e posteriore del cavo devono essere messe a terra per eliminare le interferenze EMI.
La schermatura fisica consiste nell'avvolgere l'intero o parte del sistema con un pacchetto metallico per impedire all'EMI di entrare nel circuito PCB. Questo tipo di schermatura è come un contenitore conduttivo chiuso messo a terra, che riduce le dimensioni del circuito dell'antenna e assorbe le EMI.