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PCB Layout: Collegamento a stella delle alimentazioni

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Realizzare un PCB per quanto possa sembrare un aspetto secondario alla progettazione di un sistema, non deve essere sottovalutato. Il PCB in tutte le applicazioni di precisione ed ad alta frequenza deve essere considerato attentamente come parte integrante del progetto stesso. Le piste che uniscono due componenti non sono più ideali come nello schema elettrico, e devono dunque essere considerate come componenti tra i componenti. In questa Brief Note focalizzeremo l'attenzione al caso in cui siano presenti due componenti che stiano condividendo un'alimentazione, in particolare un componete digitale, caratterizzato da transizioni repentine di stato logico/ci interne e un componente analogico. Come presupposto diciamo che in tutti quei casi in cui si abbia a che fare con componenti di natura differente e le cui operazioni possono interferire tra loro, pur avendo una tensione operativa uguale, e' bene che questa sia prelevata da due sorgenti differenti, come riportato in Figura 1, ovvero pur partendo da una tensione comune, ad ogni sub-sistema sia dedicato un regolatore, nel nostro caso DC/DC.

 

Figura 1

Figura 1: Alimentazioni separate per ogni sezione del sistema, al fine di migliorare il disaccoppiamento tra le sezioni stesse.

I due sistemi, a seconda della situazione avranno o meno la massa in comune, ma questo e' un altro punto delicato sul quale e' possibile aprire un'ulteriore discussione. Frequentemente dispositivi che per loro natura hanno sia componenti analogici che digitali (DSP, ADC, DAC), al fine di supportare questo approccio, possiedono pin dedicati per alimentare la parte digitale di controllo e la sezione analogica.

Questa soluzione, anche se la migliore da un punto di vista del disaccoppiamento dei dispositivi, risulta più complessa e costosa, necessitando di un maggior numero di componenti e di una maggior area di PCB sulla quale saldare i componenti stessi.

Qualora questo approccio, per qual si voglia ragione non sia possibile, e' bene che ogni dispositivo sia ben disaccoppiato localmente per mezzo di condensatori da 0,1uF, i quali devono essere posti sul PCB quanto più vicini possibile ai piedini delle alimentazioni. Se il dispositivo e' soggetto a rapide transizioni in corrente legate a cambiamenti di stato interni, e' bene disaccoppiare ogni sua alimentazione per mezzo di due condensatori in parallelo da 0,1uF e 0,01uF, piuttosto che un solo condensatore da 0.1uF, permettendo di migliorare la risposta in frequenza dei condensatori, i quali essendo collegati in parallelo avranno una ESR (Equivalent Serie Resistor) parassita ridotta, dal momento che le ESR dei singoli componenti risultano collegate tra loro in parallelo. Dopo questi accorgimenti che influenzano prevalentemente lo schema elettrico del nostro sistema e' anche bene fare in modo che sul PCB, oltre che a localizzare i condensatori di disaccoppiamento quanto più vicino possibile ai piedini di alimentazione, e' bene collegare le alimentazioni a stella come riportato e Figura 2 ed evitare il collegamento in cascata di Figura 3.

Figura 2

Figura 2: Collegamento a stella delle alimentazioni (vista piste PCB). Per mezzo di questo collegamento si limitano i disagi legati al fatto che transitori legati ad un dispositivo possano influenzare il corretto funzionamento di altri.

Il vantaggio del collegamento a stella risiede nel fatto che quando il sistema/componete digitale ha un cambiamento di stato, ovvero dovesse richiedere maggior corrente all'alimentatore, questa corrente gli verrà fornita per mezzo del ramo della stella a lui dedicato. Questo significa che eventuali cadute di tensione sul ramo stesso non influenzeranno l'alimentazione del dispositivo analogico, il quale, fin tanto che l'alimentatore riesce a lavorare correttamente sarà limitatamente influenzato dai transitori del sistema digitale. Anche se questa analisi e' stata fatta considerando il sistema digitale quale causa dei problemi, in realtà il discorso si può ribaltare considerando la parte analogica quale fonte di problemi, basti pensare per esempio al caso in cui un amplificatore debba amplificare un segnale in ingresso che ha subito una rapida variazione. Generalizzando ulteriormente il problema, tale approccio dovrebbe essere utilizzato anche qualora si abbiano solo sistemi digitali e/o sistemi analogici il cui funzionamento può essere compromesso dagli altri sub-sistemi.

Figura 3

Figura 3: Collegamento in cascata di due sistemi (vista piste PCB).Questo collegamento e' da evitare poiché transitori in corrente di un dispositivo possono influenzare il corretto funzionamento dell'altro.

Nel caso in cui si faccia utilizzo di un collegamento in cascata, ci si può facilmente rendere conto che se il ramo che collega entrambi i sistemi dovesse subire cadute di tensioni dovute ad un sistema che sta subendo dei transitori/cambiamenti di stato, queste influenzerebbero anche il sistema che non ha avuto nessuna variazione di segnale o di stato.

 

 

 

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