L'arte dello sbroglio dei circuiti - Emanuele Bonanni e Pietro Boccadoro

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1. L'arte dello sbroglio dei Circuiti Stampati Emanuele Piero @ElettronicaOpen
2. Chi siamo Emanuele Bonanni Progettista elettronico EMCelettronica Srl Fondatore di Elettronica Open Source Piero Boccadoro Ingegneria Elettronica Politecnico di Bari Blogger su Elettronica Open Source
3. PCB = STRATEGIA + ARTE 1. Strumenti -> CAD /pratica dei tools 2. Strategia -> Know-How /partita a scacchi 3. Creatività -> Opera d'arte /talento personale
4. 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
5. Kicad Free & Open Source Soluzione completa Utilizzato anche da professionisti Buona dotazione di librerie (community) http://www.kicad-pcb.org
6. Design Spark - Eagle PCB RS Components Vs Farnell Ottime soluzione free per progetti middle level Design Spark Eagle PCB Full Free Limited Freeware Calcoli (width I - lenght L) Cross platform(Win-Mac-Linux) http://www.designspark.com http://www.cadsoftusa.com
7. 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
8. 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
9. 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
10. Tenetevi aggiornati EDACafè http://www.edacafe.com/ PCB007 http://www.iconnect007.com Printed Circuit Design & Fab http://www.pcdandf.com Mentor White Paper http://www.mentor.com/products/pcb-system-design/techpubs/ Circuitnet http://www.circuitnet.com/ Elettronica Open Source PCB http://it.emcelettronica.com/circuiti-stampati
11. BASIC PCB GUIDELINES
12. Schema elettrico. Chi ben comincia.. Completo di più informazioni possibile Label & Net Label Nodi di massa
13. Dimensioni meccaniche & ancoraggi Definire sempre il layout meccanico PRIMA Dimensioni esterne - tolleranze Fori di ancoraggio (con zona di rispetto) Altezze massime dei componenti Campo di applicazione R di potenza in piedi o sdraiata? Prove di vibrazione?
14. SCH <-> PCB <-> DRW Interagire con il disegnatore elettrico (progettista elettronico) PIN-SWAP backannotate automatico/manuale Interagire con il disegnatore meccanico (progettista meccanico) Dimensioni-Foratura
15. Passaggio da schema a circuito SCH footprint -> NETLIST -> PCB footprint
16. Lavorare su Griglia | mils o mm? Visiva - Piazzamento componenti - Piste La scelta mils o mm è soggettiva 1 mils = 0.0254 mm
17. Isolamenti Tensioni in gioco - specifiche tecniche Correnti in gioco - larghezza piste Campo di applicazione Limiti azienda costruttrice PCB (non legarsi troppo ad una specifica)
18. Posizionamento Componenti fissi (connettori-dissipatori-etc) Componenti sensibili (switching-quarzi-filtri-etc) Posizionare accuratamente in MANUALE
19. 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 particolari Vcc GND Reset OSC Vref Tx Rx AnaIN etc.
20. ROUTING Automatico Vs Manuale Un esempio: il più semplice! L'automatico si spingerà sempre al limite degli isolamenti, anche quando non c'è necessità.
21. DRC Una volta finito lo sbroglio il 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.
22. IPC2221 (ex MIL-STD-275) Parametri: Corrente massima (A) Aumento di T (°C) Spessore rame (Oz) Sezione pista (Mils2) larghezza pista (Inch)
23. Visione globale del progetto Aiutiamo l'assemblatore! IPC-A-610 Acceptability of Electronic Assemblies La conformità a molte norme, passa per il PCB EMI/ESD IEC 61000-4-x
24. EMI, RFI & EMC
25. 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
26. 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
27. 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
28. 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
29. 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
30. Programmable edge rates EMI, RFI & EMC
31. Programmable edge rates Programmable impedence Schema a blocchi semplificato per un Impedence matching filter (IMF) Timing ICs: problemi e soluzioni
32. Programmable edge rates Programmable impedence Programmable skew Test load Test waveform Timing ICs: problemi e soluzioni
33. 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
34. 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
35. 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
36. 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
37. 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 più efficaci 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
38. 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
39. 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
40. TIPS & TRICKS
41. #TIP PCB come un quadro
42. #TIP PCB NON come un quadro! Zone NON identificabili - Alimentazioni NON pervenute Piste a Y - Continui loop inutili Sbroglio disordinato con angoli retti
43. #TIP Quarzi ed OSC NON sono nemici Piste stessa lunghezza Cap adiacenti Se possibile: Foro di massa HC49 sdraiato Spostare il quarzo a destra, a volte basta poco... (PCB come un quadro!)
44. #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 PCB Utilizzateli con le opportune precauzioni Trovate il giusto compromesso Costi-Benefici
45. #TIP Vias limitations (1) Through hole (passanti) (2) Blind via (ciechi) (3) Buried via (interrato) Fori passanti +comuni W = 2 π R = d π Calcolare I max valutare sdoppiamento e/o stagnatura Via Hole/Pad mm 0.5/0.9 -> 0.4/0.7 0.3mm di annular over drill può essere rischioso: centraggio del foro foto credits: Wikipedia
46. #TIP Dissipare i PAD di potenza Potenziare i pad/pin di potenza dissipando Sfruttare la dissipazione del rame sui 2 lati
47. #TIP "Scaricate" i Piani Piano di massa a quadri Piano di Vcc a rombi Evitiamo rigonfiamenti e curvature dei circuiti
48. #TIP Giocare con i PAD PAD TOP differente dal BOT Non solo round ma anche Oblong
49. #TIP Le piste soffrono di vertigini Piste/Pad/Piani lontano dal bordo -> 1mm PCB manufacturers scoring = 0.5mm fresatura/ bandelle = 0.2mm Non fidatevi Tabella isolamenti 250Vac = 1.25mm
50. #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 ZIF Valutare multi board, anche verticali 1/2 17 1 35 2 70 3 105
51. #TIP /crosstalk Affligge i segnali Hi-Speed USB DIMINUIRE IMPEDENZA PISTE CONTROLLARE L'IMPEDENZA NO FORI PASSANTI NO ANGOLI RETTI USB: tenere le piste a 0,508 mm tra loro e ad 1.27 da segnali sensibili (Intel Guidelines)
52. #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
53. #TIP RISPETTATE GLI OPTOisolatori Piste sotto gli Optoisolatori?
54. #TIP: ESD Test con Accendigas 1mm ~ 4KV http://it.emcelettronica.com/esd-test-sui-pcb-fatto-casa
55. SAFETY Guidelines Non sottovalutate MAI questi 3 + 1 punti 1. 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 palpebre Rinfrescare e massaggiare gli occhi durante le pause Valutare l'utilizzo di lacrime artificiali 2. Mantenere una postura corretta Seguire la legge 626 Cambiare posizione Attenzione ai muscoli del collo (cervicale) 3. Fare delle pause (lavorare a task di 30 / 45minuti) Non superare MAI i 60 minuti 1. Mouse ergonomico
56. Based on the "interference" entry of The Concise Oxford English Dictionary, 11th edition, online Sue, 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 Engineering http://rfdesign.com/mag/510RFD33.pdf Measurement technique for RF Immunity http://www.maxim-ic.com/appnotes.cfm/an_pk/3660 PCB techniques to achieve better RF Immunity EMI shields:http://www.metexcorp.com/emirfi_thoery.htm EMC: http://en.wikipedia.org/wiki/Electromagnetic_compatibility EMC laboratory: http://www.prodrive.nl/en/119/product-of-referentie?ref=98 Cypress Perform - http://www.cypress.com/?docID=24228 EMI, RFI & EMC: http://www.radioing.com/eengineer/intro.html Timing 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.pdf Selection guide:http://www.silabs.com/Marcom%20Documents/Resources/TimingSelectorGuide.pdf Analog Device's clock ICs:http://www.analog.com/en/rfif-components/timing-ics-clocks/products/index.html Le soluzioni Intersil:http://www.intersil.com/content/dam/Intersil/documents/fn66/fn6618.pdf Studio e caratterizzazione: http://ntuemc.tw/theme/design/emc_01.jpg Fonti consultate il 03/09/2012 Bibliografia
57. Elettronica Open Source Blog http://it.emcelettronica.com PCB http://it.emcelettronica.com/circuiti-stampati Forum http://it.emcelettronica.com/forum Facebook Twitter Linkedin Google+ Youtube Feed RSS http://it.emcelettronica.com/rss.xml