Dalla scheda di prototipazione al circuito stampato

La progettazione di schede Pcb si può considerare, fino a un certo punto, un'operazione relativamente semplice: grazie alla sempre maggiore disponibilità di package per il progetto dello schema elettrico (schematic) e il layout delle schede Pcb - solitamente integrati e spesso offerti a titolo gratuito - quasi chiunque è in grado di trasferire un progetto da una breadboard (ovvero una basetta sperimentale usata per la prototipazione) a un circuito stampato vero e proprio. In molti casi questo è tutto ciò che è necessario fare.
Ma la realtà, spesso, tende a complicarsi rapidamente. Per esempio, nel momento in cui sono presenti parecchi componenti, la fase di placement (piazzamento) di questi ultimi risulta più complessa. Il routing dei segnali (il cosiddetto Rat's Nest, ovvero l'insieme dei collegamenti elettrici che si incrociano l'uno con l'altro per connettere i vari pin, o nodi, di destinazione), se si eccettuano le schede Pcb a singola o doppia faccia, si trasforma in un problema da risolvere in un dominio tridimensionale - anche nel caso il package Cad sia equipaggiato con funzionalità di placement e routing automatiche. Ma è corretto affermare che questi problemi sono solamente la punta dell'iceberg e possono essere affrontati mettendo in campo le opportune risorse di ingegnerizzazione. Nella progettazione di una scheda Pcb, spesso i problemi di maggiore entità sono imputabili a ciò che non è visibile. Problema noto e studiato in un certo dettaglio, l'integrità dei segnali è un fattore che contribuisce al malfunzionamento di progetti che altrimenti opererebbero in modo corretto. Ciò è particolarmente evidente in presenza di bus operanti a elevata velocità, molto sensibili a fenomeni di disallineamento del segnale di clock e ad altre forme di interferenze che danno origine a guasti di natura intermittente o non rintracciabili. Nel caso di un progetto sviluppato in modo da tenere conto dell'integrità dei segnali, non si tratta solamente di adottare le tecniche di routing più appropriate come l'adattamento della lunghezza delle piste e dello spessore. I componenti operanti a elevata velocità presenti sulle odierne schede Pcb devono vedersela affrontare problemi più seri delle emissioni irradiate o condotte provocate dalla presenza di fronti veloci.

Sviluppo di un dominio di potenza stabile
Nell'odierno processo di sviluppo di una scheda Pcb il progettista deve pensare a quest'ultima in maniera sistematica, quindi non come a una semplice piattaforma sulla quale posizionare i componenti, bensì come un elemento attivo del sistema complessivo, alla medesima stregua di un qualsiasi componente - attivo o passivo – presente su di essa. In effetti, viste le attuali frequenze di funzionamento, una scheda Pcb popolata si è trasformata in un circuito risonante dove ogni decisione di progetto influenza la frequenza di risonanza di quel circuito. In virtù del fatto che le loro prestazioni sono intrinsecamente legate al dominio della frequenza, le principali "vittime" di una scheda Pcb progettata in maniera non accurata sono le reti di distribuzione della potenza o Pdn (Power Distribution Network) che hanno il compito di fornire una potenza regolata a ciascun componente presente nel circuito: il loro tempo di risposta finito ai fenomeni di surge (sovracorrenti o sovratensioni eccessive) possono dar luogo a picchi di risonanza, mentre la natura transitoria dei moderni circuiti rende difficile sviluppare un progetto che preveda il funzionamento in uno stato che è tutt'altro che stazionario. Di conseguenza, ogni sezione di una scheda Pcb popolata influenza il corretto funzionamento di una rete Pdn. Poiché un gran numero di componenti richiede un'ampia gamma di livelli di tensione, negli odierni progetti di schede Pcb sono previsti più domini di potenza. Questi si presentano solitamente sotto forma di regolatori a commutazione di tipo PoL (Point of Load) o moduli Vrm (Voltage Regulator Module), espressamente ideati per fornire una tensione costante in condizioni di carico variabile. Poiché la presenza di un numero crescente di segnali di commutazione sempre più veloci si traduce in correnti transitorie di intensità più elevata, il compito del modulo Vrm di mantenere una tensione stazionaria all'interno dei range di frequenza di funzionamento diventa sempre più arduo. Il problema è rappresentato proprio dall'intervallo di frequenza. Il metodo, ampiamente collaudato, utilizzato per proteggere componenti sensibili come i processori o i controllori di memoria contro gli effetti dovuti a cadute di tensione o instabilità dell'alimentazione contempla l'aggiunta di condensatori bulk vicino al modulo Vrm e il posizionamento di condensatori di disaccoppiamento il più vicino possibile ai pin di alimentazione del componente. La carica di valore ridotto fornita dai condensatori contribuisce a compensare qualsiasi fluttuazione dell'alimentazione, dando in tal modo al regolatore la possibilità di ripristinare la situazione di funzionamento normale. È noto che ciascun condensatore presente sulla scheda è caratterizzato da un’induttanza equivalente serie o Esl: quindi la sua impedenza assumerà il valore più basso alla frequenza di risonanza, determinate dalla capacità e dall'induttanza Esl. L’utilizzo di condensatori con diversi valori di capacità e di differente struttura dovrebbe assicurare un percorso a bassa impedenza per i transitori per qualsiasi data frequenza, mentre la capacità che si viene a creare tra i piani di potenza e di massa della scheda Pcb rappresenta un percorso a bassa impedenza per frequenze estremamente elevate.  In linea teorica, l’aggiunta di più condensatori con diverso valore di capacità dovrebbe garantire la copertura di ogni punto di frequenza, assicurando così la disponibilità di un percorso a bassa impedenza per i transitori a quasi tutte le frequenze. In effetti si verifica la situazione opposta: quando le curve di impedenza descritte da due condensatori con differenti valori di capacità - ad esempio 1 nF e 100 nF - si incrociano, si crea una risonanza parallela che fa aumentare l'impedenza in quel punto. Questo punto, detto di anti-risonanza, si sposterà ogni volta che un condensatore è aggiunto alla rete. Se ne deduce che esiste un valore ottimale di capacità che dovrebbe essere utilizzato al fine di minimizzare il numero di punti in cui si verifica il fenomeno dell'anti-risonanza. Il problema è individuare quel valore, data la natura attiva della scheda Pcb, e determinare la migliore ubicazione possibile per questi condensatori. Questo rappresenta la base dell'analisi Pdn.

Una soluzione efficace per il design di una rete Pdn
L'analisi di una rete Pdn è un compito impegnativo, in quanto richiede di tenere in considerazione l'induttanza equivalente serie di ogni condensatore, così come l'impatto della scheda Pcb sull'impedenza della rete Pdn. Per questa ragione, è consigliabile l'impiego di un tool per l'analisi Pdn come Pdn Planner di In-Circuit Design. Esso può analizzare simultaneamente un numero illimitato di configurazioni di alimentazione fino a una frequenza di 100 GHz. Il tool in questione analizza l'impedenza Ac di ogni rete Pdn e genera una visualizzazione grafica dell'intera rete, inclusi i picchi di risonanza del piano. Come menzionato in precedenza, i progettisti potrebbero essere tentati di includere il maggior numero possibile di condensatori bulk e di disaccoppiamento in un design per garantire un percorso a bassa impedenza per ogni componente a qualsiasi frequenza. La realtà non è così semplice: il numero ottimale di condensatori dipende dall'impedenza che si vuole ottenere (calcolata a partire dalla tensione di alimentazione), dal valore massimo della corrente, dalla corrente transitoria e dall'ondulazione consentita. Anche se la capacità del piano (ovvero del condensatore formato dagli stati di potenza e di massa) potrebbe fornire, almeno in linea teorica, un percorso a bassa impedenza tra questi due piani a frequenze molto elevate, in pratica si comporterà come una pista non definita a causa della presenza dei due bordi aperti: le riflessioni che si verificano ai bordi creeranno fenomeni di risonanza nella linea di trasmissione. In questo caso l'impiego del tool per l'analisi della rete Pdn si rivela particolarmente utile. I tool per l'analisi di reti Pdn possono ora essere integrati senza problema in un flusso di progetto come Altium Designer, consentendo in tal modo ai progettisti di ottenere un circuito stampato in modo molto semplice, ovvero a partire da una scheda di prototipazione.

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