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
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Utilizzato anche da professionisti
Buona dotazione di librerie (community)
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Design Spark - Eagle PCB
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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
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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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