L'arte dello sbroglio dei Circuiti Stampati

Emanuele Piero

@ElettronicaOpen

Chi siamo

Emanuele Bonanni

Progettista elettronico EMCelettronica SrlFondatore di Elettronica Open Source

Piero Boccadoro

Ingegneria Elettronica Politecnico di BariBlogger su Elettronica Open Source

PCB = STRATEGIA + ARTE

1. Strumenti -> CAD /pratica dei tools

2. Strategia -> Know-How /partita a scacchi

3. Creatività -> Opera d'arte /talento personale

Panoramica sui CAD di sbroglio

● Kicad● Design Spark - Eagle● Orcad (Cadence)● Altium Designer (P-Cad - Protel)

Oggi online su Elettronica Open Source

PCB CAD gratis e a pagamento: la guida definitiva http://goo.gl/YHzeo

Kicad

Free & Open Source

Soluzione completa

Utilizzato anche da professionisti

Buona dotazione di librerie (community)

http://www.kicad-pcb.org

Design Spark - Eagle PCB

RS Components Vs Farnell

Ottime soluzione free per progetti middle level

Design Spark Eagle PCBFull Free Limited FreewareCalcoli (width I - lenght L) Cross platform(Win-Mac-Linux)http://www.designspark.com http://www.cadsoftusa.com

Orcad

PCBII

Suite completa Capture->Layout +Spice +CAD+Gerber + Report file (x,y)

Librerie condivise online e dai produttori

Esempio: National Semiconductor

Ottimo strumento professionale

Altium designer - Pads e gli altri

Altium Designer (Protel - P-Cad)Leader in migrazione e integrazione meccanica

ARIA - 8 layer - 3D Preview - Courtesy of ACMEsystems

Compatibilità tra i vari CAD

Se inizio a lavorare con un software e poi decido di cambiarlo, i miei vecchi progetti sono compatibili?

Schematico SI Scheda NI

Tenetevi aggiornati

EDACafèhttp://www.edacafe.com/

PCB007http://www.iconnect007.com

Printed Circuit Design & Fabhttp://www.pcdandf.com

Mentor White Paperhttp://www.mentor.com/products/pcb-system-design/techpubs/

Circuitnethttp://www.circuitnet.com/

Elettronica Open Source PCBhttp://it.emcelettronica.com/circuiti-stampati

BASIC PCB GUIDELINES

Schema elettrico. Chi ben comincia..

Completo di più informazioni possibile

Label & Net Label Nodi di massa

Dimensioni meccaniche & ancoraggi

Definire sempre il layout meccanico PRIMADimensioni esterne - tolleranzeFori di ancoraggio (con zona di rispetto)Altezze massime dei componenti

Campo di applicazione

R di potenza in piedi o sdraiata? Prove di vibrazione?

SCH <-> PCB <-> DRW

Interagire con il disegnatore elettrico (progettista elettronico)

PIN-SWAPbackannotate automatico/manuale

Interagire con il disegnatore meccanico(progettista meccanico)

Dimensioni-Foratura

Passaggio da schema a circuito

SCH footprint -> NETLIST -> PCB footprint

Lavorare su Griglia | mils o mm?

Visiva - Piazzamento componenti - PisteLa scelta mils o mm è soggettiva

1 mils = 0.0254 mm

Isolamenti

Tensioni in gioco - specifiche tecnicheCorrenti in gioco - larghezza pisteCampo di applicazione

Limiti azienda costruttrice PCB(non legarsi troppo ad una specifica)

Posizionamento

Componenti fissi (connettori-dissipatori-etc)Componenti sensibili (switching-quarzi-filtri-etc)

Posizionare accuratamente in MANUALE

Routing (sbroglio delle piste)

● Utilizzare il routing automatico per ottimizzare il posizionamento.

● Analizzare la densità di piste ed ottimizzare il posizionamento.

Una volta fatto, cancellare tutte le piste!

Posizionare manualmente procedendo a blocchi con precedenza alle piste particolariVcc GND Reset OSC Vref Tx Rx AnaIN etc.

ROUTING Automatico Vs Manuale

Un esempio: il più semplice! L'automatico si spingerà sempre al limite degli isolamenti, anche quando non c'è necessità.

DRC

Una volta finito lo sbroglioil DRC (Design Rule Check)è d'obbligo

Impostatelo al meglio, provando anche a scendere oltre la specifica richiesta per valutare subito le parti sensibili e, se possibile, intervenire preventivamente.

IPC2221(ex MIL-STD-275)

Parametri:Corrente massima (A)Aumento di T (°C)Spessore rame (Oz)Sezione pista (Mils2)larghezza pista (Inch)

Visione globale del progetto

Aiutiamo l'assemblatore!IPC-A-610 Acceptability of Electronic Assemblies

La conformità a molte norme, passa per il PCBEMI/ESD IEC 61000-4-x

EMI, RFI & EMC

EMI (Electromagnetic interference) RFI (Radio Frequency Interference)

Disturbi che affliggono un sistema in cui segnali elettrici si propagano senza che questi siano preventivati, desiderati o seguano percorsi previsti.

È fonte di disturbo per un circuito qualunque fonte di potenza radiata dall’esterno verso un circuito quando essa interrompa o corrompa il segnale, degradandone prestazioni, durata ed efficacia (ad esempio perdita di dati).

● “condotta”

● accoppiamento

perchè scorre corrente attraverso piste conduttive, componenti, antenne, cavi di alimentazione e piani di massa.

tra componenti, circuiti, elementi discreti che hanno impedenze che interagiscono.

EMI è:

EMI, RFI & EMC

EMI (Electromagnetic interference) RFI (Radio Frequency Interference)

Disturbi che affliggono un sistema in cui segnali elettrici si propagano senza che questi siano preventivati, desiderati o seguano percorsi previsti.

È fonte di disturbo per un circuito qualunque fonte di potenza radiata dall’esterno verso un circuito quando essa interrompa o corrompa il segnale, degradandone prestazioni, durata ed efficacia (ad esempio perdita di dati).

● “condotta”

● accoppiamento

● irradiata

perchè scorre corrente attraverso piste conduttive, componenti, antenne, cavi di alimentazione e piani di massa.

tra componenti, circuiti, elementi discreti che hanno impedenze che interagiscono.

attraverso aperture di ogni genere: bocche d’aerazione, accessi per ispezione, cavi, pannelli, imperfezioni nel confezionamento.

EMI è:

Fonti di rumore tipico per ricevitori radio sono le antenne ad ampio raggio, le linee di alta tensione, i macchinari di potenza.

È facile che le linee di trasmissione AC diano interferenza con molti apparecchi anche integrati.

EMI, RFI & EMC

Capacità dei sistemi elettrici ed elettronici di funzionare in “dati” ambienti senza che siano sentiti effetti “indesiderati”.

Per garantirla, e minimizzare gli effetti deleteri, è necessario che siano effettuati test di funzionalità e sicurezza.

Soluzioni tipiche

EMC (Electro-Magnetic Compatibility)

● sistemi di schermatura;● insolamento (galvanico, ottico ecc);● collegamenti a massa;● verifica dell’impedenza caratteristica ed adattamento;● filtraggio e tecniche di eliminazione del rumore;

EMI, RFI & EMC

Capacità dei sistemi elettrici ed elettronici di funzionare in “dati” ambienti senza che siano sentiti effetti “indesiderati”.

Per garantirla, e minimizzare gli effetti deleteri, è necessario che siano effettuati test di funzionalità e sicurezza.

La schermatura è, in genere, l’ultima spiaggia ma ha esponenti “notevoli”.

Soluzioni tipiche ● sistemi di schermatura;● insolamento (galvanico, ottico ecc);● collegamenti a massa;● verifica dell’impedenza caratteristica ed adattamento;● filtraggio e tecniche di eliminazione del rumore;

EMC (Electro-Magnetic Compatibility)

EMI, RFI & EMC

Capacità dei sistemi elettrici ed elettronici di funzionare in “dati” ambienti senza che siano sentiti effetti “indesiderati”.

Per garantirla, e minimizzare gli effetti deleteri, è necessario che siano effettuati test di funzionalità e sicurezza.

La schermatura è, in genere, l’ultima spiaggia ma ha esponenti “notevoli”.

Come funzionano?

I campi “parassiti” creano correnti indotte negli schermi. Il resto lo spiega bene la 3a Equazione di Maxwell (Faraday-Newmann-Lenz).

Gli schermi ed i gaskets, di fatto, operano per assorbimento e riflessione ed il loro funzionamento si basa sul principio di reciprocità.

Soluzioni tipiche ● sistemi di schermatura;● insolamento (galvanico, ottico ecc);● collegamenti a massa;● verifica dell’impedenza caratteristica ed adattamento;● filtraggio e tecniche di eliminazione del rumore;

EMC (Electro-Magnetic Compatibility)

EMI, RFI & EMC

Programmable edge rates

EMI, RFI & EMC

Programmable edge rates

Programmable impedence

Schema a blocchi semplificato per un Impedence matching filter (IMF)

Timing ICs: problemi e soluzioni

Programmable edge rates

Programmable impedence

Programmable skew

Test load Test waveform

Timing ICs: problemi e soluzioni

Programmable edge rates

Spread spectrum technology

Programmable impedence

Programmable skew

Per realizzare tecniche di questo tipo si trasmette segnale il cui contenuto informativo occupa una banda molto minore rispetto a quella necessaria.

Timing ICs: problemi e soluzioni

Programmable edge rates

Spread spectrum technology

Programmable impedence

Programmable skew

Per realizzare tecniche di questo tipo si trasmette segnale il cui contenuto informativo occupa una banda molto minore rispetto a quella necessaria.

Timing ICs: problemi e soluzioni

Un esempio applicativo è fornito da diverse soluzioni hardware. Esistono, pertanto, generatori di segnali programmabili che permettono di applicare la tecnica dello Spread Spectrum su una vasta gamma di sistemi.

Timing ICs: problemi e soluzioni

Parametri cruciali:

● spread spectrum percentage;● modulation rate;● programmable edge rates;● programmable output impedance ;● programmable skew.

Un esempio applicativo è fornito da diverse soluzioni hardware. Esistono, pertanto, generatori di segnali programmabili che permettono di applicare la tecnica dello Spread Spectrum su una vasta gamma di sistemi.

Timing ICs: problemi e soluzioni

Un esempio applicativo è fornito da diverse soluzioni hardware. Esistono, pertanto, generatori di segnali programmabili che permettono di applicare la tecnica dello Spread Spectrum su una vasta gamma di sistemi.

Controllo su:● Powerdown;● Output & Spread Enable;

Frequency & Spread Select;

Tra le features piùefficaci ci sono:

● Range di frequenze d’uscita ampio (1-200 MHz);● Range di frequenza in ingresso ampio;● Spread percentage (entro il 5.0%);● Carico capacitivo programmabile;● Riduzione dimensioni (6TDFN 1.2 x 1.4 mm)

Timing ICs: problemi e soluzioni

Esigenze:● Riduzione dei costi;● Aumento della domanda;● Riduzione delle diminuzioni;● Aumento del grado di integrazione;● Segnali (analogici e digitali) veloci;

Risposte:● Strutture EBG (Electro-Magnetic Bandgap) ● Package schermati;● piste dedicate (piani separati);● test di verifica

Studio e caratterizzazione

Filtri dedicati risolvono il problema aumentando l’immunità oppure bypassando I segnali. Alcuni IC (LMV831-LMV834, MAX9724) sono progettati per utilizzare filtri integrati che evitano la demodulazione parassita.

Il test di simili dispositivi (in camere anecoiche) misura proprio la resistenza a simili fenomeni di interferenza.

Immunità al rumore RF e test

Negli IC accade spesso la demodulazione di portanti modulate alle radiofrequenze (tipicamente GSM). I segnali risultanti sono a bassa frequenza (217 Hz). Questi diventano suoni udibili in applicaizoni con microfoni o audio in genere.

Studio e caratterizzazione

TIPS & TRICKS

#TIP PCB come un quadro

#TIP PCB NON come un quadro!

Zone NON identificabili - Alimentazioni NON pervenutePiste a Y - Continui loop inutiliSbroglio disordinato con angoli retti

#TIP Quarzi ed OSC NON sono nemici

Piste stessa lunghezzaCap adiacenti

Se possibile:Foro di massaHC49 sdraiato

Spostare il quarzo a destra, a volte basta poco...(PCB come un quadro!)

#TIP I Vias non sono gratis

● N° Vias Vs lunghezza pista● N° Vias Vs percorso pista● Hi Speed -> NO Vias● Vias = strozzatura per la corrente● Vias = maggior costo di produzione

(foratura)● NO Vias adiacenti ai PAD in SMT PCB

VIAS = punto debole del PCBUtilizzateli con le opportune precauzioniTrovate il giusto compromesso Costi-Benefici

#TIP Vias limitations

(1) Through hole (passanti)(2) Blind via (ciechi)(3) Buried via (interrato)

Fori passanti +comuniW = 2 π R = d πCalcolare I max valutare sdoppiamento e/o stagnatura

Via Hole/Pad mm 0.5/0.9 -> 0.4/0.70.3mm di annular over drillpuò essere rischioso:centraggio del forofoto credits: Wikipedia

#TIP Dissipare i PAD di potenza

Potenziare i pad/pin di potenza dissipando

Sfruttare la dissipazione del rame sui 2 lati

#TIP "Scaricate" i Piani

Piano di massa a quadriPiano di Vcc a rombi

Evitiamo rigonfiamenti e curvature dei circuiti

#TIP Giocare con i PAD

PAD TOP differente dal BOTNon solo round ma anche Oblong

#TIP Le piste soffrono di vertigini

Piste/Pad/Piani lontano dal bordo -> 1mm

PCB manufacturers scoring = 0.5mmfresatura/bandelle = 0.2mm

Non fidatevi

Tabella isolamenti250Vac = 1.25mm

#TIP Lo spessore del rame aiuta! Oz micron 35 micron = standard

A parità di I aumentate lo spessore per diminuire la larghezza della pista.

Attenzione agli isolamenti! Uno spessore elevato comporta limitazioni. QFP BGA ZIFValutare multi board, anche verticali

1/2 17

1 35

2 70

3 105

#TIP /crosstalkAffligge i segnali Hi-Speed USB

DIMINUIRE IMPEDENZA PISTECONTROLLARE L'IMPEDENZANO FORI PASSANTINO ANGOLI RETTI

USB: tenere le piste a 0,508 mm tra loroe ad 1.27 da segnali sensibili (Intel Guidelines)

#TIP: Evitare gli STUB

Possono creare fenomeni di riflessione compromettendo la qualità del segnale nei circuiti hi-speed (USB)

Errore classico è il test point

#TIP RISPETTATE GLI OPTOisolatori

Piste sotto gli Optoisolatori?

#TIP: ESD Test con Accendigas

1mm ~ 4KV

http://it.emcelettronica.com/esd-test-sui-pcb-fatto-casa

SAFETY Guidelines

Non sottovalutate MAI questi 3 + 1 punti1. Attenzione agli occhi

Utilizzare uno schemo adeguato (Hi-Resolution Brillance - Hi-Screen)Scelta dei colori (forse il rosso del bottom è troppo aggressivo)Sbattere frequentemente le palpebreRinfrescare e massaggiare gli occhi durante le pauseValutare l'utilizzo di lacrime artificiali

2. Mantenere una postura correttaSeguire la legge 626Cambiare posizioneAttenzione ai muscoli del collo (cervicale)

3. Fare delle pause (lavorare a task di 30 / 45minuti)Non superare MAI i 60 minuti

1. Mouse ergonomico

Based on the "interference" entry of The Concise Oxford English Dictionary, 11th edition, onlineSue, M.K.. "Radio frequency interference at the geostationary orbit". NASA. Jet Propulsion Laboratory. Retrieved 6 October 2011.Radio frequency interference / editors, Charles L. Hutchinson, Michael B. Kaczynski ; contributors, Doug DeMaw ... [et al.]. 4th ed. Newington, CT American Radio Relay League c1987.Radio frequency interference handbook. Compiled and edited by Ralph E. Taylor. Washington Scientific and Technical Information Office, National Aeronautics and Space Administration; [was for sale by the National Technical Information Service, Springfield, Va.] 1971.http://www.arrl.org/tis/info/rfigen.html RadioFrequency Interference/ElectroMagnetic Interference, ARRL http://www.kyes.com/antenna/interference/tvibook.html INTERFERENCE HANDBOOK"Lab Note #105 EMI Reduction - Unsuppressed vs. Suppressed". Arc Suppression Technologies. April 2011. Retrieved February 05, 2012.Clemson Vehicular Electronics Laboratory Web Site: Integrated Circuit EMC page."Don't "despike" your signal lines, add a resistor instead.“http://www.ce-mag.com/archive/2000/novdec/fiori.html Compliance Engineeringhttp://rfdesign.com/mag/510RFD33.pdf Measurement technique for RF Immunityhttp://www.maxim-ic.com/appnotes.cfm/an_pk/3660 PCB techniques to achieve better RF ImmunityEMI shields:http://www.metexcorp.com/emirfi_thoery.htmEMC: http://en.wikipedia.org/wiki/Electromagnetic_compatibilityEMC laboratory: http://www.prodrive.nl/en/119/product-of-referentie?ref=98Cypress Perform - http://www.cypress.com/?docID=24228EMI, RFI & EMC: http://www.radioing.com/eengineer/intro.htmlTiming ICs Keep Beat with Needs of Today's Embedded Market:http://www.silabs.com/Support%20Documents/TechnicalDocs/Timing-ICs-Keep-Beat-with-Needs-of-Todays-Embedded-Market.pdfSelection guide:http://www.silabs.com/Marcom%20Documents/Resources/TimingSelectorGuide.pdfAnalog Device's clock ICs:http://www.analog.com/en/rfif-components/timing-ics-clocks/products/index.htmlLe soluzioni Intersil:http://www.intersil.com/content/dam/Intersil/documents/fn66/fn6618.pdfStudio e caratterizzazione: http://ntuemc.tw/theme/design/emc_01.jpgFonti consultate il 03/09/2012

Bibliografia

Elettronica Open SourceBloghttp://it.emcelettronica.com

PCBhttp://it.emcelettronica.com/circuiti-stampati

Forumhttp://it.emcelettronica.com/forum

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