Una guida al layout PCB essenziale per ogni progettista

Non è raro che gli ingegneri diano priorità a circuiti, componenti avanzati e codice nei progetti elettronici, mentre il layout del PCB, un elemento cruciale, viene talvolta trascurato. Un layout del PCB inadeguato può causare problemi di funzionalità e affidabilità. Questo articolo offre consigli pratici per garantire il funzionamento e l'affidabilità ottimali dei vostri progetti PCB.

Dimensionamento della traccia

Le tracce in rame presentano una resistenza naturale che può causare cadute di tensione, dissipazione di potenza e aumenti di temperatura quando vengono attraversate da corrente. I progettisti di PCB affrontano questo problema modificando la lunghezza, lo spessore e la larghezza delle tracce. Dato che le proprietà fisiche del rame sono fisse, è essenziale ottimizzare le dimensioni delle tracce per controllare efficacemente la resistenza.

Lo spessore delle tracce del PCB si misura in once di rame. Ad esempio, un'oncia di rame equivale a uno spessore di 1,4 millesimi di pollice, ipotizzando una distribuzione uniforme su un'area di un piede quadrato. Mentre molti progettisti utilizzano 1 oz o 2 oz di rame, alcuni produttori di PCB possono fornire spessori fino a 6 oz. È importante notare che la produzione di dettagli fini, come pin ravvicinati, può essere complessa con rame più spesso. Si consiglia di consultare il produttore del PCB per comprendere le sue capacità.

Per determinare lo spessore e la larghezza ottimali delle tracce, consigliamo di utilizzare un calcolatore di larghezza delle tracce per PCB in base alla specifica applicazione. L'obiettivo è raggiungere un aumento di temperatura di circa 5 °C. Se lo spazio sulla scheda è sufficiente, si consiglia di optare per tracce più larghe, in quanto più convenienti. È importante notare che, per le schede multistrato, le tracce sugli strati esterni offrono un raffreddamento superiore rispetto a quelle sugli strati interni. Ciò è dovuto al fatto che il calore proveniente dagli strati interni deve passare attraverso più strati di rame e materiale del PCB prima di essere dissipato o convogliato.

Mantieni i loop piccoli

È consigliabile mantenere i loop, soprattutto alle alte frequenze, il più compatti possibile. La riduzione delle dimensioni dei loop si traduce in una diminuzione sia dell'induttanza che della resistenza. Il posizionamento dei loop su un piano di massa serve a minimizzare ulteriormente l'induttanza, che a sua volta contribuisce ad abbassare la tensione ad alta frequenza. Inoltre, i loop compatti riducono al minimo l'accoppiamento induttivo da sorgenti esterne e la trasmissione dal nodo, il che è vantaggioso nella maggior parte dei casi, tranne quando si progetta un'antenna. È di fondamentale importanza mantenere loop di piccole dimensioni nei circuiti con amplificatori operazionali per evitare che il rumore venga accoppiato nel circuito.

Posizionamento dei condensatori di disaccoppiamento

Si consiglia di posizionare i condensatori di disaccoppiamento il più vicino possibile ai pin di alimentazione e di massa dei circuiti integrati per ottimizzare le prestazioni di disaccoppiamento. Posizionare i componenti a una distanza maggiore può causare l'introduzione di induttanze parassite.

Collegamenti Kelvin

Il rilevamento a quattro terminali, noto anche come rilevamento Kelvin, prende il nome da William Thomson, Lord Kelvin, che sviluppò il ponte di Kelvin nel 1861 per la misurazione precisa di resistenze molto basse. In questo metodo, ogni coppia di fili è definita "connessione Kelvin".

Le connessioni Kelvin sono essenziali per misurazioni precise, poiché vengono posizionate in punti precisi per ridurre al minimo la resistenza parassita e l'induttanza. Ad esempio, quando si misura una resistenza di rilevamento della corrente, è essenziale posizionare le connessioni direttamente sui pad del resistore, anziché in punti arbitrari sulle tracce. Sebbene lo schema possa apparire simile indipendentemente dal fatto che le connessioni siano realizzate sui pad o altrove, è importante notare che le tracce reali presentano induttanza e resistenza che possono influire sulla precisione della misurazione se non si utilizzano le connessioni Kelvin.

Separare le tracce digitali e rumorose dalle tracce analogiche

È importante notare che tracce o conduttori paralleli possono potenzialmente creare capacità, che può causare un accoppiamento capacitivo tra i segnali, in particolare alle alte frequenze. Per evitare potenziali problemi di rumore indesiderato, è essenziale mantenere una netta separazione tra le tracce ad alta frequenza e rumorose e quelle sensibili.

La terra non è terra

È importante notare che la terra non è un conduttore perfetto. Di conseguenza, è fondamentale allontanare le masse rumorose dai segnali sensibili per mantenere una qualità ottimale del segnale. È essenziale assicurarsi che le tracce di terra siano sufficientemente larghe da supportare il flusso di corrente previsto. Posizionare un piano di terra direttamente sotto le tracce del segnale è un metodo efficace per ridurre l'impedenza, il che è vantaggioso per mantenere l'integrità del segnale.

Via Dimensioni e Quantità

I fori di via contribuiscono all'induttanza e alla resistenza complessive di un circuito. Nei casi in cui una traccia debba essere instradata attraverso un circuito stampato (PCB) ed è richiesta una bassa induttanza o resistenza, è consigliabile considerare l'utilizzo di più fori di via. Fori di via più grandi riducono la resistenza, rendendoli una risorsa preziosa per la messa a terra di condensatori di filtro e nodi ad alta corrente.

Utilizzo del PCB come dissipatore di calore

Si consiglia di aggiungere ulteriore rame attorno ai componenti a montaggio superficiale per aumentarne la superficie e ottenere una dissipazione del calore più efficiente. È prassi comune che le schede tecniche dei componenti, in particolare quelle relative a diodi di potenza, MOSFET o regolatori di tensione, forniscano linee guida per l'utilizzo della superficie del PCB come dissipatore di calore.

Vie termiche

I via facilitano il trasferimento di calore da un lato all'altro del PCB, il che è vantaggioso quando il PCB è montato su un dissipatore o uno chassis per una migliore dissipazione del calore. È più efficace utilizzare via più grandi per il trasferimento di calore rispetto a quelli più piccoli. Inoltre, l'utilizzo di più via è generalmente più efficiente rispetto all'utilizzo di una singola via. Ciò si traduce in una riduzione della temperatura di esercizio dei componenti, che a sua volta ne aumenta l'affidabilità.

Sollievo termico

Il thermal relief è una tecnica di saldatura che utilizza piccole connessioni tra una traccia o un riempimento e un pin del componente per semplificare il processo di saldatura. Queste connessioni vengono mantenute corte per ridurre al minimo la resistenza elettrica, il che è vantaggioso dal punto di vista ingegneristico. Senza thermal relief, sebbene i componenti possano ottenere una migliore dissipazione termica grazie a una connessione più diretta con tracce o riempimenti che dissipano il calore, la saldatura e la dissaldatura del componente possono diventare più complesse.

Spaziatura tra tracce e fori di montaggio

È importante mantenere la giusta spaziatura tra le tracce o i riempimenti in rame e i fori di montaggio per ridurre il rischio di scosse elettriche. È importante notare che la maschera di saldatura non fornisce un isolamento affidabile. Pertanto, è essenziale garantire una distanza sufficiente tra le aree in rame e la minuteria di montaggio.

Componenti sensibili al calore

È importante assicurarsi che i componenti sensibili al calore siano tenuti separati da quelli che lo generano. Esempi di componenti sensibili al calore includono termocoppie e condensatori elettrolitici. È importante notare che il posizionamento delle termocoppie vicino a fonti di calore può portare a letture di temperatura imprecise, mentre il posizionamento dei condensatori elettrolitici vicino a componenti che generano calore può avere un impatto negativo sulla loro durata. I componenti che generano calore includono raddrizzatori a ponte, diodi, MOSFET, induttori e resistori. La quantità di calore prodotta da questi componenti dipende dalla corrente che li attraversa.

Conclusione

Questo articolo presenta suggerimenti essenziali per il layout dei PCB che possono migliorare significativamente la funzionalità e l'affidabilità del vostro progetto. Assicuratevi di applicare questi principi nel vostro lavoro.