Il mercato dell'elettronica di oggi richiede l'integrazione di molteplici funzioni ad alta velocità su circuiti stampati miniaturizzati (PCBS) su un'unica scheda, portando i progettisti a posizionare i cavi molto vicini tra loro per ottimizzare l'imballaggio e lo spazio. Questa vicinanza può portare ad un accoppiamento inaspettato di campi elettromagnetici, un fenomeno noto come Crosstalk (vedi Figura 1).

Figura 1: Rappresentazione grafica di linee adiacenti su un PCB con potenziali problemi di diafonia.

Sebbene l'imballaggio ad alta densità sia inevitabile, alcune regole di progettazione PCB relative al cablaggio sul PCB non dovrebbero essere violate per evitare potenziali problemi di diafonia e interferenze/compatibilità elettromagnetiche (EMI/EMC).

(Nelle sezioni seguenti, la frase "rete critica" si riferisce a quelle linee di clock/dati ad alta velocità, linee di sensori importanti, ecc., su un PCB, a seconda dell'applicazione del PCB.)

Regola 1: reti chiave vicino alle reti I/O

È importante osservare il cablaggio della rete critica associata alle linee I/O, perché il rumore può essere facilmente accoppiato alla scheda attraverso queste linee I/O che entrano ed escono dal PCB (vedere Figura 2) o trasportato a altre tavole.

Figura 2: diagramma schematico di uno scenario in cui la rete critica e la rete I/O sono cablate una accanto all'altra.

Qualsiasi rumore che entra nella scheda attraverso la linea I/O ha il potenziale per essere accoppiato alla rete critica che trasporta importanti segnali di dati/clock, il che è fondamentalmente un problema di immunità del PCB (Figura 3A). In modo simile, qualsiasi segnale ad alta velocità trasportato dalla rete critica può essere accoppiato alla rete I/O ed eventualmente trasmesso al mondo esterno e ad altri moduli nel sistema tramite linee I/O esterne alla scheda. In linea di principio, questo sarebbe un problema di radiazioni per il PCB (Figura 3B).

Figure 3A (a sinistra) e 3B: potenziali problemi EMI/EMC causati dalla vicinanza di reti critiche e di I/O

Regola 2: lunghezza critica della traccia esposta

Nei PCBS ad alta velocità a lunghezza d'onda corta (& GT; 100 MHz), la lunghezza elettrica di qualsiasi rete critica (vedere figura 4a) è sufficiente a renderla un'efficace fonte di radiazioni, soprattutto se esposta agli strati superiori o inferiori. Questa radiazione indesiderata può essere accoppiata a qualsiasi cavo adiacente, anche a un cavo in un dispositivo vicino al cavo. Consigliamo di seppellire la rete critica tra i piani solidi dello strato interno del PCB, come mostrato nella Figura 4b. Ciò aiuta a isolare il campo dalla linea ed evitare qualsiasi accoppiamento involontario sotto forma di diafonia o EMI. Se queste reti critiche devono essere esposte nello strato esterno, la lunghezza della porzione esposta dovrebbe essere la più piccola possibile. Questo perché quanto più corta è la lunghezza dei fili esposti, tanto minore è la radiazione che emettono, perché se fossero elettricamente piccoli sarebbero antenne inefficienti.

Fichi. 4A (a sinistra) e B: diagrammi di reti critiche esposte o chiuse tra piani

Regola 3: corrispondenza della rete con differenza critica

In teoria, le coppie differenziali trasmettono segnali di uguale dimensione ma di polarità opposta, perché le EMI da esse prodotte si annullano a vicenda o sono trascurabili. Tuttavia, questo funziona solo se le linee della coppia hanno la stessa lunghezza e sono il più vicine possibile l'una all'altra simmetricamente. La violazione di uno qualsiasi di questi può causare rumore di modo comune e problemi EMI. Ciò è di grande preoccupazione, soprattutto per le reti differenziali che trasportano segnali critici ad alta frequenza, poiché l'EMI aumenta la frequenza dei segnali trasportati. La Figura 5 mostra diversi esempi di cablaggio nel modo corretto/errato delle coppie di differenze critiche tra il pacchetto IC e i punti di uscita (connettori) sulla scheda del circuito.

Figura 5: Ritorna il percorso corrente con divisione nel piano di riferimento

Corrispondenza della rete delle differenze critiche: simulazione e relazione con i requisiti di test effettivi

Nell'esempio PCB delle Figure 6A e 6b, abbiamo un caso semplice in cui le coppie differenziali sono cablate sul PCB in due modi diversi: simmetrico e asimmetrico. In entrambi i casi, in SIwave, sono eccitati ad un'estremità da una sorgente di tensione differenziale e collegati all'altra estremità da un carico.

Figure 6A (a sinistra) e B: Esempi di coppie differenziali per il cablaggio su un PCB

Eseguiamo l'analisi del campo vicino in entrambi i casi. Nei PCB con cablaggio simmetrico a coppia differenziale, il livello di campo vicino è inferiore rispetto al cablaggio asimmetrico, come mostrato nelle Figg. 7A e 7b.

Fichi. 7a (a sinistra) e B: campo vicino a 597.45 MHz con reti di coppie di differenze simmetriche e asimmetriche

Supponiamo di voler testare il PCB secondo i requisiti sulle emissioni radianti delle normative EMI/EMC AIS 004 (in India) o UNECE R10 (in Europa). La Figura 8 mostra un'analisi comparativa del campo lontano simulato a una distanza di 1 m dal PCB nell'intervallo di frequenza 30 MHz – 1 GHz. Si noti che il caso di coppie di differenze asimmetriche aumenta il livello di emissione di circa 8-10 dB e comporta anche la non conformità con 563.50 MHz e frequenze superiori.

Figura 8: Confronto della radiazione a 1 m

La simulazione di SIwave a livello PCB consente l'identificazione precoce di tali problemi EMI, il che può aiutare a ottimizzare i PCB prima che siano progettati per test fisici e persino simulazioni di livello superiore.

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