Lo stack-up della scheda, ovvero la configurazione dei layer all’interno della PCB, è un fattore molto importante nella determinazione delle performance di una scheda in termini di EMC. Un buon stack-up può infatti essere molto efficiente nel ridurre le radiazioni emesse dai percorsi chiusi (loop di corrente) della scheda (emissioni di modo differenziale) e dai cavi connessi alla scheda (emissioni di modo comune), mentre uno stack-up inadeguato può aumentare in modo considerevole la radiazione di entrambi i meccanismi.
Lo stack-up della PCB riguarda principalmente i seguenti aspetti: il numero di strati (layer), il numero ed il tipo di piani (ground e/o power plane) usati, la sequenza degli strati e la loro spaziatura.
3.6.1 Schede multi-layer e piani
Nella scelta del numero di layer devono essere considerati diversi parametri come il numero di segnali che devono essere tracciati e la loro frequenza, il costo totale della scheda e le specifiche in termini di emissioni. Anche se con l’utilizzo di schede multi-layer il costo unitario della PCB aumenta, diminuisce il tempo di layout della scheda perché diventa più semplice tracciare le connessioni. Altri vantaggi includono schede di dimensioni minori e quindi un ingombro minore del sistema complessivo e, cosa più importante, una maggiore probabilità di soddisfare le nuove norme di regolazione EMI/EMC.
Per quanto riguarda i piani di alimentazione e massa, le schede multistrato (multi- layer) con ground e/o power plane riducono in modo significativo le emissioni (15 dB in meno rispetto a PCB a due layer, a parità degli altri fattori). La superficie sottesa dal percorso del segnale (che viaggia lungo una traccia) e dalla corrente di ritorno (area di loop) infatti, quando il segnale di ritorno è su un piano immediatamente sotto la traccia, viene notevolmente ridotta; poiché i problemi EMI/EMC sono direttamente proporzionali all’area di loop, quando sotto le tracce è presente un piano solido e continuo, le emissioni vengono ridotte. Il confronto tra le aree di loop prodotte nel caso con e senza piano di massa sono illustrate rispettivamente nelle seguenti Fig. 3.7a e 3.7b.
Fig. 3.7: Confronto delle aree di loop: a) con piano di massa; b) senza piano di massa
Le schede che contengono dei piani sono inoltre migliori di quelle senza piani perché consentono di tracciare i segnali nelle configurazioni microstrip o stripline, ovvero linee di trasmissione ad impedenza controllata che riducono le emissioni; inoltre, se vogliamo controllare l’impedenza delle tracce come strategia per il controllo delle riflessioni (utilizzando appropriate tecniche di terminazione) è indispensabile l’uso dei piani.
Tramite l’uso dei piani si hanno benefici anche in termini di crosstalk; poiché il crosstalk è proporzionale al quadrato della distanza tra le tracce e i loro piani di riferimento, per ridurre i suoi effetti, oltre che sulla separazione tra tracce adiacenti, si può intervenire anche sulla distanza tra tracce e piani.
Il ground plane inoltre diminuisce molto l’impedenza (e quindi il rumore) della massa. Se si usano due piani (ad esempio ground e power plane) inoltre, la capacità planare formata dalla prossimità dei due piani, può essere molto efficace nel disaccoppiamento dei circuiti a frequenze elevate e nel controllo delle radiazioni EMI causate dai segnali di rumore di modo comune e differenziale.
Anche se PCB a due layer sono state usate con successo in applicazioni con frequenze fino a 20÷25 MHz, questi casi sono oggi l’eccezione piuttosto che la regola; in
applicazioni con frequenze maggiori di 10-15 MHz utilizzare schede multi-layer è di fondamentale importanza.
Quando si utilizzano schede multi-layer bisogna perseguire cinque principali obiettivi: 1) un layer di segnale dovrebbe sempre essere adiacente ad un piano;
2) layer di segnale e piano devono essere strettamente accoppiati tra loro; 3) power e ground plane dovrebbero essere strettamente accoppiati tra loro; 4) i segnali ad alta frequenza dovrebbero essere tracciati su un layer interno; 5) utilizzare più piani di massa riduce l’impedenza del ground plane.
Spesso si è di fronte alla scelta tra uno stretto accoppiamento segnale/piano (2° obiettivo) e stretto accoppiamento power plane/ground plane (3° obiettivo). Con le normali tecniche di costruzione di PCB, non c’è una sufficiente capacità tra piani di alimentazione e massa adiacenti tale da provvedere ad un adeguato disaccoppiamento (decoupling) al di sotto dei 500 MHz. Il decoupling comunque, può essere ottenuto attraverso altre tecniche e si opta quindi per uno stretto accoppiamento tra il layer di segnale ed il piano di ritorno della corrente; il vantaggio che ne deriva è superiore allo svantaggio della perdita della capacità interpiano.
Il minimo numero di layer che possono essere utilizzati per soddisfare tutti e cinque gli obiettivi illustrati è otto; con una scheda a quattro o sei layer i cinque obiettivi non possono essere raggiunti contemporaneamente e quindi bisogna determinare gli obiettivi primari da soddisfare e raggiungere dei compromessi sugli altri.
Un’altra caratteristica molto importante dal punto di vista meccanico, indipendentemente dal numero di layer, è avere una PCB la cui sezione trasversale sia simmetrica (bilanciata) rispetto al centro della scheda (sull’asse verticale); questo accorgimento consente di prevenire stress meccanici e deformazioni della scheda, soprattutto se si verificano variazioni significative di temperatura. Questa proprietà implica la simmetria dei layer e dei piani all’interno della PCB; ad esempio, in una scheda ad otto layer, se il secondo strato è un piano, dovrà esserlo anche il settimo.
Nell’ambito del progetto delle schede di acquisizione misure, si è scelto di utilizzare una scheda a quattro layer che comprende due piani (massa e alimentazione) e due layer di segnale; questo consente di risolvere alcuni dei problemi EMC/EMI analizzati, senza aumentare i costi in modo considerevole (rispetto ad una PCB ad otto layer).
3.6.2 Stack-up a quattro layer
La configurazione più comune per una scheda a quattro layer è mostrata in Fig. 3.8 e consiste di quattro strati uniformemente spaziati tra loro con i piani di massa (ground) e
di alimentazione (power) interni (il loro ordine può essere scambiato). I due strati esterni sono destinati ai segnali (signal) e di solito prevedono direzioni di routing (tracce) ortogonali per minimizzare il crosstalk.
Fig. 3.8: Configurazione tipica di una scheda a 4 layer
Anche se questa configurazione permette di ottenere migliori performance rispetto ad una scheda a due layer, soddisfa solo il primo degli obiettivi illustrati nel paragrafo precedente: infatti, se i layer sono ugualmente spaziati tra loro ed inoltre non si può scendere al di sotto di un certo spessore, ci sarà un’ampia separazione o tra il layer di segnale e il piano per il ritorno della corrente (ground o power plane) o tra ground e power plane. Con una scheda a quattro layer è possibile correggere solo uno di questi due difetti e dobbiamo quindi decidere cosa è più importante per la specifica applicazione. Come accennato precedentemente, con le normali tecniche di costruzione di PCB non c’è una sufficiente capacità interpiano tra ground e power plane adiacenti tale da consentire un sufficiente disaccoppiamento che dovrà quindi essere ottenuto con altre tecniche; optiamo quindi per uno stretto accoppiamento tra segnale e piano di ritorno della corrente.
Il modo più semplice per migliorare le performance di una scheda a quattro layer in termini di EMC è di allocare i layer di segnale il più vicino possibile ai piani (<0.010”) e di usare una separazione maggiore (>0.040”) tra power e ground plane. Questa configurazione, mostrata in Fig.3.9, presenta tre vantaggi: l’area della spira di segnale (signal loop area) è più piccola e produce quindi meno radiazioni di modo differenziale (nel caso di una spaziatura di 0.005” tra layer di segnale e piano, la riduzione nella radiazione dalla spira formata dalla traccia è di almeno 10 dB rispetto alla configurazione precedente della Fig.3.8); lo stretto accoppiamento tra traccia di segnale e piano di massa riduce l’impedenza (induttanza) del piano riducendo così le radiazioni di modo comune emesse dai cavi connessi alla scheda; lo stretto accoppiamento tra traccia di segnale e piano (massa o alimentazione) riduce inoltre il crosstalk (fenomeno di interferenza) tra tracce adiacenti (per una distanza fissa tra tracce il crosstalk è infatti proporzionale al quadrato dell’altezza della traccia rispetto al piano di ritorno della corrente). La
configurazione mostrata rappresenta il metodo più semplice e meno costoso per ridurre le emissioni di una PCB a quattro layer (soddisfa i primi due obiettivi).
Fig. 3.9: Configurazione alternativa per una scheda a 4 layer
Una soluzione non convenzionale può essere ottenuta invertendo i layer di segnale ed i piani della configurazione precedente; si ottiene lo stack-up mostrato in Fig. 3.10.
Fig. 3.10: Stack-up non convenzionale di una scheda a 4 layer
Il maggiore vantaggio di questo stack-up è che i piani di potenza disposti sugli strati esterni fanno da schermo alle tracce di segnale sui layer interni, riducendo così le radiazioni emesse; questa soluzione viene usata soprattutto quando si utilizzano segnali ad alta frequenza ed il relativo rumore può creare problemi alle sezioni analogiche più sensibili. Lo svantaggio principale è che il ground plane può essere tagliato (cut-up) in modo considerevole con il montaggio delle piazzole (pad) dei componenti in schede al elevata densità; questo effetto può essere attenuato invertendo i piani e sistemando il power plane dal lato dei componenti e il ground plane sul lato opposto. In ogni modo non è consigliabile avere un piano di alimentazione esterno ed inoltre i layer di segnale interni rendono il controllo, il debug e le modifiche della scheda molto difficili se non impossibili perché non c’è un accesso diretto alle tracce di segnale. Questa configurazione soddisfa i primi due obiettivi e parzialmente anche il quarto.
Due dei precedenti problemi possono essere risolti con lo stack-up di Fig. 3.11 dove i due piani esterni sono entrambi ground plane e il piano dell’alimentazione (power) è sostituito da tracce che fanno parte dei layer di segnale; l’alimentazione viene gestita con una griglia costituita da larghe tracce sul layer di segnale piuttosto che con un intero piano
dedicato. In questa configurazione, i due ground plane producono un’impedenza di ground più bassa e quindi minori radiazioni di modo comune dai cavi collegati alla scheda; inoltre, collegando i due ground plane insieme, intorno al perimetro della scheda, si rinchiudono tutte le tracce di segnale in una sorta di gabbia di Faraday.
Fig. 3.11: Migliore stack-up a 4 layer in termini di EMC
Da un punto di vista di EMC, questo tipo di stack-up, se realizzato in modo corretto, è il migliore che si possa realizzare con una scheda a quattro layer. Ground plane e layer di segnale/power possono essere scambiati tra loro eliminando il problema delle modifiche; pur provvedendo ancora ad una bassa impedenza di ground ottenuta tramite l’uso di due piani di massa, i due ground plane non forniscono più alcuna protezione (shielding) per le emissioni dei segnali.
Come mostrato, anche per una scheda a quattro layer, esistono diverse configurazioni di stack-up. La struttura che meglio si adatta alle nostre esigenze è la seconda che è stata descritta (quella mostrata in Fig. 3.9). Sulle nostre schede di acquisizione, molti parametri (ad esempio la frequenza di funzionamento e la scelta del tipo di trasmissione: ottica od elettrica) possono essere scelti tramite appositi switch; risulta quindi più comodo utilizzare gli strati esterni come layer di segnale, anche per facilitare le fasi di controllo e debug della PCB. Inoltre, come già sottolineato in precedenza, questa configurazione rappresenta il metodo più semplice e meno costoso per ridurre le emissioni di una PCB a quattro layer.