Sempre scoraggiato dalle interferenze del segnale, dalla scarsa dissipazione del calore e dal routing disordinato quando si esegue il layout PCB? In realtà, finché si padroneggiano le tecniche fondamentali, è possibile gestire facilmente tutti i tipi di sfide di layout! Oggi, abbiamo compilato 9 metodi di layout PCB ibridi super pratici, dal posizionamento dei componenti alla schermatura dello strato inferiore, tutti ricchi di informazioni pratiche e senza fronzoli, che consentono ai principianti di iniziare rapidamente!

I. Posizionamento dei componenti: seguire le "regole" per posizionare correttamente i componenti ed evitare deviazioni

Un posizionamento errato dei componenti renderà inutile tutto il routing successivo! Quando si posizionano i componenti, non solo è necessario seguire i percorsi del segnale nello schema e lasciare spazio sufficiente per le tracce, ma è anche necessario ricordare questi 5 principi:

• Gli alimentatori devono essere raggruppati in modo compatto, con progetti di disaccoppiamento per garantire un'alimentazione stabile;
• I condensatori di disaccoppiamento devono essere posizionati vicino ai componenti per ridurre i loop di corrente e ridurre il rumore;
• I connettori devono essere posizionati direttamente sul bordo della scheda per facilitare il collegamento di dispositivi esterni senza occupare l'area principale;
• I componenti ad alta frequenza devono essere posizionati rigorosamente in base al flusso dello schema per evitare la corruzione del segnale;
• Processori, generatori di clock, dispositivi di archiviazione di grandi dimensioni e altri "componenti principali" devono essere posizionati al centro della scheda per facilitare il collegamento ai circuiti circostanti.

II. Moduli analogici + digitali: layout separato, nessuna interferenza
I segnali analogici e digitali sono spesso in conflitto; la condivisione delle aree può facilmente portare a interferenze reciproche, con conseguenti scarse prestazioni del circuito! L'approccio corretto è quello di separare completamente i due. I punti chiave sono qui:

• Posizionare i componenti di precisione (come amplificatori e sorgenti di tensione di riferimento) sul piano analogico e dedicare il piano digitale al controllo logico, ai blocchi di temporizzazione e ad altri "componenti ad alto rumore";
• ADC (Convertitori da analogico a digitale) e DAC (Convertitori da digitale ad analogico) gestiscono segnali misti, quindi trattarli come componenti analogici è più affidabile;
• I progetti ADC/DAC ad alta corrente devono avere alimentatori analogici e digitali separati (DVDD collegato alla sezione digitale, AVCC collegato alla sezione analogica);
• Microprocessori e microcontrollori generano calore significativo, quindi posizionarli al centro del circuito stampato e vicino ai blocchi di circuito collegati si tradurrà in una dissipazione del calore più efficiente.

III. Routing: prendere il percorso più breve e diretto, evitare queste insidie

Dopo che i componenti sono a posto, il routing consiste nel "costruire canali di segnale". Ricorda questi 8 principi per una trasmissione del segnale più fluida:

• Più breve e diretto è il percorso del segnale, meglio è, riducendo il ritardo e le interferenze;
• Un piano di massa deve essere posizionato accanto agli strati di segnale ad alta velocità per garantire il ritorno normale del segnale;
• I circuiti ad alta velocità devono essere instradati rigorosamente in base al percorso del segnale dello schema e non possono essere modificati arbitrariamente;
• Utilizzare tracce di alimentazione corte, dritte e larghe per ridurre l'induttanza;
• Evitare di trasformare tracce e vias in "forme di antenna" per evitare ulteriori interferenze;
• Mantenere isolate le tracce dei circuiti digitali e analogici, senza incroci o sovrapposizioni;
• Prestare particolare attenzione alle tracce di messa a terra che collegano le zone digitali e analogiche;
• Evitare deviazioni e vias inutili durante l'intero processo, semplificando il percorso riducendo al contempo la perdita di segnale.

IV. Modulo di alimentazione: alimentazione di prossimità + design di isolamento – la stabilità è fondamentale

L'alimentatore è il "cuore" del circuito; un layout improprio può facilmente portare a un guasto generale. Ci sono due punti chiave:

• Il modulo di alimentazione deve essere vicino ai componenti di alimentazione pur essendo isolato dagli altri circuiti per impedire la propagazione del rumore;
• Per dispositivi complessi con più pin di alimentazione, utilizzare moduli di alimentazione dedicati sia per le sezioni analogiche che digitali per eliminare completamente le interferenze di rumore digitale con i segnali analogici;
• Le linee di alimentazione devono seguire il principio "corto, dritto, largo" per ridurre l'induttanza e le limitazioni di corrente, con conseguente alimentazione più stabile.

V. Design di disaccoppiamento: creazione di un ambiente a basso rumore per massimizzare le prestazioni del dispositivo

Il fulcro del disaccoppiamento è "filtrare il rumore dell'alimentazione". Il rapporto di reiezione dell'alimentazione (PSRR) determina direttamente le prestazioni del dispositivo. Questi 5 metodi pratici sono essenziali:

• **Combinazione di condensatori: I condensatori ceramici a bassa induttanza filtrano il rumore ad alta frequenza, i condensatori elettrolitici fungono da "serbatoi di carica" per filtrare il rumore a bassa frequenza e le perline di ferrite possono essere selezionate per migliorare l'isolamento;
• **Posizionare i condensatori di disaccoppiamento vicino ai pin di alimentazione del dispositivo e collegarli a un piano di massa a bassa impedenza utilizzando tracce o vias corte per ridurre l'induttanza in serie;
• **Posizionare piccoli condensatori (0,01μF-0,1μF) accanto ai pin di alimentazione per prevenire l'instabilità del dispositivo quando più uscite commutano contemporaneamente;
• **Mantenere i condensatori elettrolitici (10μF-100μF) a non più di 1 pollice di distanza dai pin di alimentazione; una distanza eccessiva influirà sulle prestazioni di filtraggio;
• **I condensatori di disaccoppiamento possono essere collegati al piano di massa a forma di T tramite accanto al pin GND del dispositivo, semplificando il processo senza cablaggio aggiuntivo.

VI. Layering PCB: pianificare i layer in anticipo e ottimizzare i percorsi di ritorno

Determinare lo schema di layering prima del routing, altrimenti influenzerà il percorso di ritorno del segnale. Diversi numeri di layer richiedono diverse considerazioni di progettazione:

• I sistemi di acquisizione dati ad alte prestazioni dovrebbero dare la priorità a PCB a 4 o più layer; le schede a doppio layer sono adatte per circuiti semplici.
• Tipico layout di scheda a 4 layer: layer superiore (segnali digitali/analogici), secondo layer (layer di massa, riduzione della caduta di tensione IR e protezione dei segnali), terzo layer (layer di alimentazione), layer inferiore (segnali ausiliari);
• I layer di alimentazione e di massa devono essere strettamente adiacenti, utilizzando la capacità interstrato per ottenere il disaccoppiamento ad alta frequenza;
• Le schede multistrato possono utilizzare vias ciechi e vias sepolti per collegare i layer, riducendo lo spazio delle tracce superficiali e rendendo il layout più pulito.

VII. Resistenze in rame PCB: scegliere lo spessore di rame corretto per ridurre gli errori
Le tracce di rame sono il fulcro delle interconnessioni dei circuiti e dei piani di massa. Una resistenza eccessiva può portare a errori di segnale. Ricorda questi punti:

• I PCB standard utilizzano rame da 1 oz; le sezioni ad alta potenza utilizzano rame da 2 oz o 3 oz (la resistività del rame è 1,724 × 10⁻⁶ Ω/cm a 25℃);
• Il foglio di rame da 1 oz è spesso circa 0,036 mm, con una resistenza di 0,48 mΩ/quadrato. Ad esempio, una traccia larga 0,25 mm ha una resistenza di circa 19 mΩ/cm;
• Per circuiti di precisione a bassa impedenza (come ADC a 16 bit), prestare attenzione alla resistenza della traccia di rame per evitare di introdurre errori aggiuntivi. Allargare le tracce o aumentare lo spessore del rame, se necessario.

VIII. Design di messa a terra: due opzioni, scegliere in base alle esigenze

La messa a terra è fondamentale per sopprimere le interferenze. Scegliere l'opzione giusta è importante per sistemi diversi. Due metodi principali sono spiegati in dettaglio:

1. Singolo layer di massa (consigliato per sistemi ADC/DAC a bassa corrente digitale)

• L'utilizzo di un singolo layer di massa solido consente alla corrente di ritorno di seguire il percorso di minor resistenza, evitando interferenze di segnale misto.
• La corrente di ritorno a bassa frequenza scorre lungo la linea di riferimento di massa del dispositivo, mentre la corrente di ritorno ad alta frequenza scorre indietro lungo il percorso del segnale, riducendo le interferenze del loop.

2. Massa analogica indipendente + Massa digitale (consigliato per sistemi complessi ad alta corrente)

• Dividere il layer di massa in massa analogica e massa digitale, collegati tramite una "massa a stella" (il punto di intersezione è una massa a stella), garantendo livelli di riferimento coerenti per entrambi.
• Il pin AGND dei dispositivi a segnale misto è collegato alla massa analogica e il pin DGND è collegato alla massa digitale, isolando la corrente digitale ad alto rumore.
• I PCB multistrato devono garantire un completo isolamento tra i piani AGND e DGND e la sovrapposizione non è consentita.

IX. Schermatura dalle interferenze elettromagnetiche: creare una gabbia di Faraday per eliminare le interferenze esterne

Dopo aver affrontato le interferenze interne, è fondamentale proteggersi dalle interferenze elettromagnetiche esterne (EMI). In caso contrario, potrebbero verificarsi interruzioni delle comunicazioni, danneggiamento dei dati dei sensori e guasti dei componenti. Ecco alcune tecniche di schermatura:

• Utilizzare una schermatura metallica sufficiente per creare una "gabbia di Faraday", coprendo completamente il circuito da tutti e sei i lati e collegandolo al piano di massa per una schermatura ottimale.
• Il design della schermatura deve tenere conto dei requisiti di dissipazione del calore e riservare i canali di ingresso/uscita del segnale. La schermatura non deve interferire con il normale funzionamento del circuito.
• Per ambienti ad alta frequenza e ad alta interferenza, lo strato di schermatura deve garantire una connessione senza soluzione di continuità per evitare "lacune di schermatura."

Padroneggia queste 9 tecniche di layout PCB ibride. Che tu sia un principiante o un ottimizzatore PCB esperto, puoi gestire facilmente varie sfide di layout, raddoppiando direttamente la stabilità e le prestazioni del circuito!