l'arte dello sbroglio dei circuiti stampati
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L'arte dello sbroglio dei Circuiti Stampati
Emanuele Piero
@ElettronicaOpen
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Chi siamo
Emanuele Bonanni
Progettista elettronico EMCelettronica SrlFondatore di Elettronica Open Source
Piero Boccadoro
Ingegneria Elettronica Politecnico di BariBlogger su Elettronica Open Source
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PCB = STRATEGIA + ARTE
1. Strumenti -> CAD /pratica dei tools
2. Strategia -> Know-How /partita a scacchi
3. Creatività -> Opera d'arte /talento personale
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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
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Kicad
Free & Open Source
Soluzione completa
Utilizzato anche da professionisti
Buona dotazione di librerie (community)
http://www.kicad-pcb.org
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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
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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
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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
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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
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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
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BASIC PCB GUIDELINES
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Schema elettrico. Chi ben comincia..
Completo di più informazioni possibile
Label & Net Label Nodi di massa
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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?
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SCH <-> PCB <-> DRW
Interagire con il disegnatore elettrico (progettista elettronico)
PIN-SWAPbackannotate automatico/manuale
Interagire con il disegnatore meccanico(progettista meccanico)
Dimensioni-Foratura
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Passaggio da schema a circuito
SCH footprint -> NETLIST -> PCB footprint
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Lavorare su Griglia | mils o mm?
Visiva - Piazzamento componenti - PisteLa scelta mils o mm è soggettiva
1 mils = 0.0254 mm
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Isolamenti
Tensioni in gioco - specifiche tecnicheCorrenti in gioco - larghezza pisteCampo di applicazione
Limiti azienda costruttrice PCB(non legarsi troppo ad una specifica)
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Posizionamento
Componenti fissi (connettori-dissipatori-etc)Componenti sensibili (switching-quarzi-filtri-etc)
Posizionare accuratamente in MANUALE
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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.
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ROUTING Automatico Vs Manuale
Un esempio: il più semplice! L'automatico si spingerà sempre al limite degli isolamenti, anche quando non c'è necessità.
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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.
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IPC2221(ex MIL-STD-275)
Parametri:Corrente massima (A)Aumento di T (°C)Spessore rame (Oz)Sezione pista (Mils2)larghezza pista (Inch)
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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
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EMI, RFI & EMC
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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
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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
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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
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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
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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
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Programmable edge rates
EMI, RFI & EMC
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Programmable edge rates
Programmable impedence
Schema a blocchi semplificato per un Impedence matching filter (IMF)
Timing ICs: problemi e soluzioni
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Programmable edge rates
Programmable impedence
Programmable skew
Test load Test waveform
Timing ICs: problemi e soluzioni
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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
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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
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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
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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
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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
![Page 38: L'arte dello sbroglio dei Circuiti Stampati](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022042509/557210b3497959fc0b8d9289/html5/thumbnails/38.jpg)
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
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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
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TIPS & TRICKS
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#TIP PCB come un quadro
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#TIP PCB NON come un quadro!
Zone NON identificabili - Alimentazioni NON pervenutePiste a Y - Continui loop inutiliSbroglio disordinato con angoli retti
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#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!)
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#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
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#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
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#TIP Dissipare i PAD di potenza
Potenziare i pad/pin di potenza dissipando
Sfruttare la dissipazione del rame sui 2 lati
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#TIP "Scaricate" i Piani
Piano di massa a quadriPiano di Vcc a rombi
Evitiamo rigonfiamenti e curvature dei circuiti
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#TIP Giocare con i PAD
PAD TOP differente dal BOTNon solo round ma anche Oblong
![Page 49: L'arte dello sbroglio dei Circuiti Stampati](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022042509/557210b3497959fc0b8d9289/html5/thumbnails/49.jpg)
#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
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#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
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#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)
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#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
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#TIP RISPETTATE GLI OPTOisolatori
Piste sotto gli Optoisolatori?
![Page 54: L'arte dello sbroglio dei Circuiti Stampati](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022042509/557210b3497959fc0b8d9289/html5/thumbnails/54.jpg)
#TIP: ESD Test con Accendigas
1mm ~ 4KV
http://it.emcelettronica.com/esd-test-sui-pcb-fatto-casa
![Page 55: L'arte dello sbroglio dei Circuiti Stampati](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022042509/557210b3497959fc0b8d9289/html5/thumbnails/55.jpg)
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
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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
![Page 57: L'arte dello sbroglio dei Circuiti Stampati](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022042509/557210b3497959fc0b8d9289/html5/thumbnails/57.jpg)
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