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, a volte viene trascurato. Un layout del PCB inadeguato può causare problemi funzionali e di affidabilità. Questo articolo offre consigli pratici per garantire il funzionamento e l'affidabilità ottimali dei tuoi progetti PCB.

Dimensionamento della traccia

Le tracce di rame hanno una resistenza naturale che può causare cadute di tensione, dissipazione di potenza e aumenti di temperatura quando la corrente le attraversa. I progettisti di PCB affrontano questo problema apportando modifiche alla lunghezza, allo spessore e alla larghezza delle tracce. Dato che le proprietà fisiche del rame sono fisse, è essenziale ottimizzare le dimensioni della traccia per controllare efficacemente la resistenza.

Lo spessore delle tracce PCB è misurato in once di rame. Ad esempio, un'oncia di rame equivale a uno spessore di 1,4 millesimi di pollice, supponendo 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 fino a 6 oz di spessore. È importante notare che la produzione di caratteristiche fini, come pin ravvicinati, può essere impegnativa con rame più spesso. Si consiglia di consultare il produttore di PCB per comprendere le sue capacità.

Per determinare lo spessore e la larghezza ottimali per le tue tracce, ti consigliamo di usare un calcolatore di larghezza delle tracce PCB basato sulla tua applicazione specifica. L'obiettivo è di ottenere un aumento di temperatura di circa 5°C. Se c'è spazio sufficiente sulla scheda, si consiglia di optare per tracce più larghe, poiché sono convenienti. Va notato che per le schede multistrato, le tracce sugli strati esterni hanno un raffreddamento superiore rispetto a quelle sugli strati interni. Ciò è dovuto al fatto che il calore dagli strati interni deve passare attraverso più strati di rame e materiale PCB prima di essere dissipato o condotto via.

Mantieni i loop piccoli

Si consiglia di mantenere i loop, in particolare alle alte frequenze, il più compatti possibile. La riduzione delle dimensioni del loop determina 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 aiuta ad abbassare la tensione ad alta frequenza. Inoltre, i loop compatti riducono al minimo l'accoppiamento induttivo da fonti esterne e la trasmissione dal nodo, il che è vantaggioso nella maggior parte dei casi, tranne quando si progetta un'antenna. È della massima importanza mantenere piccoli loop nei circuiti degli amplificatori operazionali per evitare che il rumore venga accoppiato nel circuito.

Posizionamento dei condensatori di disaccoppiamento

Si raccomanda di posizionare i condensatori di disaccoppiamento il più vicino possibile ai pin di alimentazione e di terra dei circuiti integrati per ottimizzare le prestazioni di disaccoppiamento. Il posizionamento dei componenti a una distanza maggiore può causare l'introduzione di induttanza parassita.

Collegamenti Kelvin

Il rilevamento a quattro terminali, noto anche come rilevamento Kelvin, prende il nome da William Thomson, Lord Kelvin, che sviluppò il ponte 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 sono posizionate in punti esatti per ridurre al minimo la resistenza parassita e l'induttanza. Ad esempio, quando si misura un resistore di rilevamento della corrente, è essenziale posizionare le connessioni direttamente sui pad del resistore, piuttosto che in punti arbitrari sulle tracce. Mentre lo schema può apparire simile indipendentemente dal fatto che le connessioni siano realizzate sui pad o altrove, è importante notare che le tracce reali hanno induttanza e resistenza che possono influenzare la precisione della misurazione se non vengono utilizzate connessioni Kelvin.

Separare le tracce digitali e rumorose dalle tracce analogiche

È importante notare che le tracce o i conduttori paralleli hanno il potenziale di creare capacità, che può causare un accoppiamento capacitivo tra segnali, in particolare ad alte frequenze. Per evitare potenziali problemi con rumore indesiderato, è essenziale mantenere una netta separazione tra 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 instradare le masse rumorose lontano dai segnali sensibili per mantenere una qualità del segnale ottimale. È essenziale garantire che le tracce di terra siano sufficientemente larghe per accogliere 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 utile per mantenere l'integrità del segnale.

Tramite Dimensioni e Quantità

Le vie contribuiscono all'induttanza e alla resistenza complessive di un circuito. Nei casi in cui una traccia deve essere instradata attraverso un circuito stampato (PCB) ed è richiesta bassa induttanza o resistenza, è consigliabile considerare l'utilizzo di più vie. Le vie più grandi riducono la resistenza, rendendole una risorsa inestimabile 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 aumentare l'area superficiale e ottenere una dissipazione del calore più efficiente. È prassi comune per le schede tecniche dei componenti, in particolare quelle relative a diodi di potenza, MOSFET o regolatori di tensione, fornire linee guida per l'utilizzo dell'area superficiale del PCB come dissipatore di calore.

Fori Termici

Le vie facilitano il trasferimento di calore da un lato di un PCB all'altro, il che è vantaggioso quando il PCB è montato su un dissipatore di calore o uno chassis per una migliore dissipazione del calore. È più efficace utilizzare vie più grandi per il trasferimento di calore rispetto a quelle più piccole. Inoltre, utilizzare più vie è generalmente più efficiente che affidarsi a 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 sono mantenute corte per ridurre al minimo la resistenza elettrica, il che è vantaggioso dal punto di vista ingegneristico. Senza il thermal relief, mentre i componenti possono ottenere una migliore dissipazione termica grazie a una connessione più diretta a tracce o riempimenti che dissipano il calore, la saldatura e la dissaldatura del componente possono diventare più difficili.

Spaziatura tra tracce e fori di montaggio

È importante mantenere la spaziatura appropriata tra tracce o riempimenti in rame e 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 assicurarsi che vi sia una distanza sufficiente tra le aree in rame e l'hardware di montaggio.

Componenti sensibili al calore

È importante assicurarsi che i componenti sensibili al calore siano tenuti separati da quelli che generano calore. Esempi di componenti sensibili al calore includono termocoppie e condensatori elettrolitici. È importante notare che posizionare le termocoppie vicino a fonti di calore può portare a letture di temperatura imprecise, mentre posizionare i 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 ha presentato suggerimenti essenziali per il layout del PCB che possono migliorare significativamente la funzionalità e l'affidabilità del tuo progetto. Assicurati che questi principi siano applicati nel tuo lavoro.