Equalizzare lunghezza tracce PCB

[belva87]

Si esatto, grazie per averli ripescati!
Difatti io la penso come te e ho chiesto perché non ho mai affrontato questa questione per segnali del tipo.
Siamo d'accordo sulla lunghezza e sulle impedenze
Luca.

[claudiocedrone]

Ciao belva87, è una delle emoticon "precaricate" nella funzione di risposta al messaggio ... "Visualizza tutte le emoticon" "pagina 2" (dove c'è anche la "ola", per capirci).

[belva87]

Grazie mille!

[brabus]

Carissimo belva87, ti rispondo in merito alla magia nera e al taglio di massa.

Il taglio di massa è il passo successivo alla creazione del piano di massa. Spesso infatti, si da per scontato che il piano di massa risolva tutto, che le correnti trovino sempre la strada più breve per ricircolare, e che tutti i problemi siano risolti... sbagliato!
Dopo aver disegnato il piano di massa, è importante ricostruire i percorsi delle correnti, che dal ramo positivo d'alimentazione devono richiudersi, appunto, tramite la bistrattata "massa". Ti porto qualche esempio concreto.
Ho progettato un alimentatore risonante LLC, del quale magari parlerò in futuro. La tensione di rete è raddrizzata da un ponte a diodi, filtrata da un elettrolitico 470uF 450V, al quale ho collegato in parallelo un condensatore al poliestere da 100 nF. Dal punto di vista dello schematico, il poliestere è del tutto inutile. Dal punto di vista del PCB, invece le cose cambiano. Ho infatti collocato il poliestere molto vicino ai mosfet di switching, e ho portato l'alimentazione al gruppo tramite due piste separate di alimentazione e massa; ho ottenuto la "pista di massa" tagliando il piano come in figura:

Taglio di massa.png (8.63 KiB) Osservato 5122 volte

Come vedi, la zona che ho indicato come "switching node" è asservita da una "penisola di massa" , la cui corrente in alta frequenza si richiude attraverso il condensatore al poliestere da 100 nF.
In questo modo, la massa del condensatore elettrolitico rimane ferma, a beneficio degli altri circuiti presenti sulla scheda che sfruttano la stessa massa.
L'elettrolitico non vede il ripple ad alta frequenza (ed è contento), noi siamo contenti perché la tensione rimane pulita... è una win-win situation!

Ti dirò di più: il circuito di controllo (col regolatore PID) è montato dalla parte pulita, e comunica con la parte sporca tramite il pezzetto di piano che collega la penisola al continente. Scusa il linguaggio colorito, ma spero di rendere l'idea.
In questo modo, pure le correnti di pilotaggio dei Gate (impulsive, come sai) si richiudono attraverso la massa sporca, e non sanno fastidio ai circuiti analogici montati nelle retroguardie.

Tutto ciò che commuta velocemente rimane confinato nella zona "sporca", che tanto è asservita dal poliestere.

Ti starai chiedendo: ma perché la corrente ad alta frequenza preferisce il condensatore al poliestere?
Come puoi intravedere, il percorso di richiusura della corrente ad alta frequenza è molto più breve attraverso il poliestere rispetto che attraverso il piano e la pista che portano all'elettrolitico.
La lunghezza del collegamento è poco influente dal punto di vista resistivo, mentre lo è dal punto di vista induttivo: l'induttanza parassita che collega l'elettrolitico al poliestere fa sì che le correnti HF preferiscano
di gran lunga di fiondarsi sul poliestere!

Da notare che l'induttanza parassita è distribuita tra la pista di alimentazione e la penisola di massa: abbiamo creato un rudimentale filtro di modo comune, a beneficio delle emissioni condotte!

...tutto questo solo asportando un po' di rame.

Ti invito a immaginare cosa succede se togli il taglio di massa:

NO Taglio di massa.png (5.41 KiB) Osservato 5122 volte

Guarda che disastro.
La corrente non sa se richiudersi sull'elettrolitico o sul poliestere. Il poliestere non se lo fila praticamente più nessuno. Patetico.
La corrente inizia a dividersi: il contributo ad alta frequenza sceglie il percorso a minor induttaza, mentre le componenti a bassa frequenza scelgono il percorso a minor resistenza.
In sostanza, si prendono tutto il piano!
Risultato: un bel potenziale di rumore, con gradiente indicato dalla linea azzurra. Tanti saluti ai circuiti analogici e ai controlli implementati in quella zona...

Questo dovrebbe chiarire ancora una volta il significato della frase: "Col piano di massa si risolvono tanti problemi, ma a volte se ne creano di nuovi".

[brabus]

Con "magia nera" intendo invece l'oscura arte di indovinare i percorsi di richiusura delle correnti.

Come accennato prima, le correnti a bassa frequenza preferiscono i percorsi a minor resistenza, quelle ad alta frequenza quelli a minor induttanza.

Ma cos'è un circuito a bassa induttanza? Beh, su PCB è tipicamente quello che racchiude la minor area nel suo percorso da Vcc a massa. Abbiamo in figura un esempio topico:

LF.png (4.5 KiB) Osservato 5115 volte

Il generatore di segnale inietta una corrente a bassa frequenza attraverso la pista nel piano TOP del PCB rappresentato sulla destra. In fondo al PCB abbiamo un via che collega la pista al piano di massa, al quale il generatore è a sua volta collegato.

Cosa succede in bassa frequenza?
Beh, la corrente percorre la pista, fa le curve, poi entra nel via e sceglie la via più breve per tornare al generatore: la strada dritta!
Avremo una densità di corrente elevata in mezzeria, descrescente a mano a mano che ci allontaniamo. Ovviamente avremo una concentrazione in corrispondenza del via e del punto di ritorno al generatore.

Osserviamo cosa succede in HF:

HF.png (5.21 KiB) Osservato 5115 volte

Guarda un po'. La corrente segue un percorso del tutto innaturale, fa di tutto per restare "sotto" alla pista del piano superiore! Quando l'ho visto la prima volta non ci credevo. Un piano di massa con una corrente a zig-zag. Se sei bravo puoi addirittura farle fare marcia indietro!

Io chiamo queste cose "magia nera".
Puoi ben immaginare quanto sia importante considerare questi fenomeni durante il layout di un circuito switching.
La regola? Immaginare sempre il percorso completo della corrente, e mai la "sola andata". Se manteniamo il piano di massa sotto le piste ad alta frequenza, la corrente si richiuderà facilmente stando "sotto" la pista, senza disturbare i circuiti vicini.
Se invece "tagliamo" brutalmente la massa sotto una pista ad alta frequenza, la corrente si incazza come una bestia e inizia a cercare un percorso per tornare al campo base (magari il Drain di un nMos, che magari è il pilota del mosfet di potenza... ), travolgendo tutto ciò che trova sul suo percorso!

Di aneddoti ed esempi ce ne sono a bizzeffe, ogni circuito è a sé; magari con più calma possiamo parlare un po' più a fondo dei classici convertitori buck e boost, a titolo di esempio. Adesso è tardi e stacco. Bye!

[ANDREA2013]

ciao brabus
questa analisi di "magia nera" su che spettro di frequenze dovrebbe essere applicata?

[IsidoroKZ]

Non c'e` magia nera, ci sono le equazioni di Maxwell che sono difficili da risolvere, specie guardando solo il circuito.

Quello che voglio dire e` che nell'EMI non ci sono i fantasmi, le stregonerie o simili, neppure i guru. Ci sono le equaziondi dell'elettromagnetismo e l'esperienza del progettista che "vede" dove passano le correnti, qual e` il momento magnetico della spira... come ha ben mostrato brabus "vedendo" le richiusure.

[ANDREA2013]

Ok IsidoroKZ

Ma la mia domanda è (lo ripeto): da quali frequenze questi fenomeni "magici" cominciano a farsi sentire in maniera "pesante" ?

[DirtyDeeds]

da quali frequenze questi fenomeni "magici" cominciano a farsi sentire in maniera "pesante" ?

Anche a 1 Hz Anni fa passai una settimana a "debuggare" un circuito in cui avevo collegato uno schermo di un cavo nel punto sbagliato: la corrente di ritorno si richiudeva verso l'alimentazione seguendo un percorso che disturbava una parte del circuito. La frequenza era, appunto, 1 Hz. Però erano impulsi con tempo di salita di 2 ns: non conta la frequenza del segnale, ma l'estensione del suo spettro.

[sedetiam]

...Osserviamo cosa succede in HF:... La corrente segue un percorso del tutto innaturale, fa di tutto per restare "sotto" alla pista del piano superiore...

Ciao brabus,
grazie per le ottime spiegazioni sui tagli dei piani di massa !

Solo una curiosità:
il fatto che in HF la corrente di ritorno fa di tutto per restare "sotto" alla pista del piano superiore, è dovuta all'accoppiamento capacitivo tra la pista e il piano di massa

Grazie !