Qual è il percorso della corrente di ritorno in un PCB?
Sapete come determinare il percorso della corrente di ritorno nel layout di questo PCB?
Il percorso della corrente di ritorno è uno degli aspetti fondamentali dello schema di un circuito. In uno schema di circuito, il percorso che la corrente elettrica segue per tornare verso il lato potenziale basso di una fonte di alimentazione dovrebbe essere ovvio, ma potrebbe non esserlo in un PCB. Per citare il grande Eric Bogatin nella sua presentazione durante il PCB West 2019, la distinzione tra uno schema e un layout di PCB esiste nello spazio bianco dello schema. In altre parole, per capire in maniera approfondita il modo in cui la corrente si muove attraverso il sistema, dovete considerare la geometria del layout del PCB.
La geometria delle tracce e dei piani interni è solo un aspetto che determina il percorso della corrente di ritorno nel layout di un PCB. Il segnale stesso, in alcuni casi, sceglierà autonomamente il proprio percorso di ritorno. Una volta che un designer comprende il modo in cui la geometria e le caratteristiche di un segnale influiscono sul percorso di ritorno, diventa più facile determinare il percorso di ritorno per i segnali senza dover ricorrere ai solutori di campi 2D o 3D.
Cosa determina il percorso della corrente di ritorno in un PCB?
Ci piace dire che la corrente segue il percorso in cui incontra la minore resistenza, ma ciò è vero solo per i circuiti CC. Con i segnali variabili nel tempo, la corrente di ritorno segue il percorso in cui incontra la minore reattanza, che corrisponde al percorso con l'impedenza minore. Ciò significa che il percorso di ritorno nel vostro PCB è totalmente determinato dall'impedenza del circuito che trasporta la corrente di ritorno.
Se tutto questo vi suona esoterico, pensate per un momento alla struttura di un PCB moderno. La corrente scorre dalla fonte di alimentazione lungo i terminali di alimentazione o il piano di alimentazione, scendendo nei componenti e, infine, nel piano di terra, da cui torna indietro all'estremità con potenziale inferiore della fonte di alimentazione. L'intero percorso è caratterizzato da un'impedenza associata.
Tornando per un attimo all'elettronica 101, l'impedenza vista dalla corrente nei circuiti può essere divisa in una porzione resistiva (indipendente dalla frequenza) e da una porzione reattiva (dipendente dalla frequenza). In realtà, qualsiasi circuito su un PCB reale può comportarsi come un circuito puramente resistivo, puramente capacitivo o puramente induttivo, a seconda della geometria, del comportamento o dei diversi componenti e della frequenza del segnale che si muove attraverso un circuito. I circuiti lineari reali su una scheda devono essere modellati, al minimo, come circuiti RLC, anche se il circuito non contiene capacitori o induttori discreti.
Perché un circuito in un layout PCB dovrebbe comportarsi come un circuito RLC? Ciò si verifica poiché conduttori adiacenti sono separati da un substrato isolante che crea una capacitanza parassita. Il comportamento induttivo si verifica perché il percorso seguito della corrente forma un loop chiuso, e il substrato presenta una leggera permeabilità magnetica, in tal modo ogni circuito mostra la presenza di induttanza parassita. Questi parassiti e la resistenza CC naturale dei conduttori contribuisce all'impedenza vista dai segnali mentre si spostano all'interno della scheda. Quando considerati insieme alla geometria delle tracce e dei piani, determinano collettivamente il percorso seguito dai segnali mentre tornano all'alimentazione.
In che modo la frequenza del segnale influisce sul percorso della corrente di ritorno in un PCB
Per avere un'idea di come si forma il percorso della corrente di ritorno in un PCB, esamineremo innanzitutto ciò che succede con la corrente CC in un semplice esempio. La vista dall'alto nel layout d'esempio qui sotto mostra tracce sullo strato superficiale di un PCB diretto verso un IC. La metà inferiore della figura qui sotto mostra il piano di terra interno nel secondo strato. I due conduttori sono separati dal substrato isolante, che fornisce capacitanza tra i due strati. Occorre notare che i simboli dei capacitori mostrato qui sotto non indicano la presenza di capacitori discreti che vanno considerati come parte di un modello di circuito raggruppato. (Nota: è proprio per questo motivo che ogni traccia in un PCB è effettivamente una linea di trasmissione. Approfondiremo questo aspetto in uno dei prossimi articoli).
Una corrente CC che si origina nello strato superiore (al punto di +5 V) si sposta direttamente lungo la traccia, ovvero il percorso caratterizzato dalla minore resistenza. Dopo che la corrente lascia l'IC, entra nello strato interno attraverso una via e si sposta lungo il piano di terra; a quel punto torna al punto di alimentazione sullo strato superficiale tramite un'altra via. La corrente CC riscontra una reattanza infinita (e, di conseguenza, un'impedenza infinita) tra lo strato superficiale e il piano di terra, ciò impedisce alla corrente di passare direttamente al substrato attraverso la capacitanza raggruppata. Una volta che la corrente entra nel piano di terra, segue il percorso con la resistenza minore indietro fino alla via GND. Notare che il percorso con la minore resistenza è anche quello in questo caso con la minore distanza (la riga gialla diritta) tra le due vie.
Percorso della corrente di ritorno in un PCB per le correnti CC
Con qualsiasi segnale variabile nel tempo (una pulsazione o un segnale digitale o analogico), la situazione è diversa. Poiché la tensione e la corrente cambiano nel tempo, il segnale può indurre una corrente di spostamento attraverso la capacitanza raggruppata nel substrato, che quindi si sposta attraverso il piano di terra. Ciò significa che la corrente di ritorno viene generata nel piano di terra sotto la traccia. La resistenza non cambia frequentemente, ma la reattanza fornita dalla capacitanza del substrato dipende dalla frequenza. La corrente tende a essere concentrata sotto la traccia del segnale, che corrisponde al percorso caratterizzato dalla minore reattanza.
Percorso della corrente di ritorno in un PCB per correnti che variano rapidamente nel tempo.
Notare che le righe gialle mostrate nella vista dall'alto sono leggermente spostate dalla traccia del circuito per chiarezza, ma la differenza tra le due situazioni dovrebbe essere visibile abbastanza chiaramente. Ovviamente la situazione diventa più complicata quando abbiamo più tracce, componenti e strati del piano in un PCB. In realtà, la corrente di ritorno avrà una distribuzione gaussiana approssimativa tra la traccia a frequenze elevate (~MHz e superiore). A frequenze moderate (decimi di kHz), sarà presente della corrente che segue il percorso di ritorno CC. Date un'occhiata a questo articolo di Bruce Archambeault (Fig. 3-5) per avere un'idea di ciò che avviene con frequenze moderate.
E per quanto riguarda i percorsi della corrente di ritorno con segnale misto?
Con le schede a segnale misto, il controllo dei percorsi della corrente di ritorno è ancora più critico poiché occorre provare a impedire che i segnali digitali inducano una corrente nelle sezioni analogiche della scheda. La divisione del layout in sezioni analogiche e digitali contribuisce notevolmente a ridurre il crosstalk tra segnali misti. Tuttavia, occorre comunque cercare di determinare il percorso della corrente di ritorno nel layout PCB per impedire che tipi di segnale diversi interferiscano in maniera involontaria con i componenti sensibili. Francesco Poderico ha fornito un eccellente tutorial sulla determinazione dei percorsi di ritorno nelle schede a segnale misto in un articolo recente.
Se siete esperti nell'analisi del layout, probabilmente non avrete bisogno di effettuare simulazioni per determinare i percorsi di ritorno. Tuttavia, gli strumenti di simulazione e i solutori di campi 2D/3D continuano a essere utili per verificare un gran numero delle scelte di progettazione, nonché la funzionalità dei vari circuiti nella vostra scheda.
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