L'importanza del calcolo dei parametri RLGC nella caratterizzazione delle schede PCB

Le necessità di avere sistemi elettronici più compatti, leggeri e di ridotte dimensioni, meno sensibili alle incertezze dovute alla realizzazione e di più facile industrializzazione, ha spinto da sempre verso la progettazione in tecnologia stampata (PCB – Printed Circuit Board). Questa tendenza ha recentemente investito anche l’elettronica di potenza, andando ad eliminare gli elementi di connessione, quali cavi e connettori, tra i vari componenti di commutazione, alimentazione, controllo e filtraggio.

Dal wiring al PCB – cosa è possibile prevedere?

Secondo queste implementazioni, le connessioni tra componenti di amplificazione, controllo e filtraggio sono realizzate tramite gli elementi caratteristici delle schede, quali piani e tracce, principalmente. Esse tuttavia introducono contributi "circuitali" parassiti, resistivi, induttivi e capacitivi, che rappresentano per il progettista una grossa incognita nel dimensionamento del sistema.

Questa indeterminazione è dovuta al fatto che la loro struttura, intesa come forma e dimensioni, non è assimilabile a linee di trasmissione/connessione tradizionali, a micro-striscia o a un cablaggio (collegamento realizzato con cavi) per esempio, e le loro reali caratteristiche elettriche non sono esprimibili analiticamente in forma chiusa, non sono note in letteratura e sono difficilmente prevedibili e quantificabili a priori.

È un sistema che si evolve in più dimensioni, con componenti ravvicinati che si influenzano l’un l’altro; ad esempio, piani affacciati che generano contributi capacitivi, loop di corrente che introducono effetti induttivi, impropri riferimenti a massa che producono risonanze indesiderate.

Ne consegue una generazione di prodotti con funzionalità analoghe ad alto livello, per il controllo, l'automazione, l'alimentazione, ma caratteristiche operative fisiche profondamente diverse dovute ai contributi parassiti introdotti dalla specifica implementazione. Risulta di fondamentale importanza quindi la corretta previsione ed estrazione dei parametri circuitali equivalenti, in modo da poter dimensionare efficientemente le intere apparecchiature elettroniche e gli schemi circuitali/funzionali.

Osservare i campi elettromagnetici, calcolare matrici RLCG e SYZ

Dal punto di vista fisico, le caratteristiche elettriche o elettroniche, esprimibili circuitalmente tramite parametri RLCG (Resistenza, Induttanza, Capacità, Conduttanza) nel contesto dell'elettronica di potenza, rispondono alle ben note equazioni di Maxwell, la cui soluzione, per le ragioni esposte in precedenza in merito alla non conformità ad elementi standard, può essere ottenuta esclusivamente dal punto vista numerico tramite prototipazione virtuale.

Il vantaggio chiave della simulazione numerica risiede proprio nella modellazione di geometrie arbitrarie, alle quali assegnare proprietà elettromagnetiche di materiale, eccitazioni (tensioni/correnti/segnali) e condizioni al contorno specifiche, in modo da riprodurre virtualmente uno scenario elettromagnetico. Estendendo la trattazione, "vedere" e quantificare nello spazio un campo elettromagnetico generato o indotto su un dispositivo è uno dei sogni del progettista e rappresenta un feedback prezioso per la scelta dell'implementazione fisica.

La soluzione numerica in termini di campo elettromagnetico in un dominio tridimensionale consente la derivazione di una serie di quantità fruibili nei contesti opportuni. E' possibile, per esempio e come prima derivazione, ricavare mappe di correnti, tensioni e potenze dissipate, derivare tensioni e correnti sia nel dominio temporale che della frequenza, estrarre matrici di caratterizzazione SYZ, RLCG. Secondariamente, è possibile verticalizzare l’elaborazione dei dati verso il calcolo di quantità specifiche relative a crosstalk, emissioni radiate e condotte, EMI/EMC, Near e Far Field.

Funzionalità e componenti attivi in ambiente circuitale.

Dal punto di vista funzionale, aver caratterizzato la parte fisica di un dispositivo tramite una matrice caratteristica (RLCG o SYZ, a seconda della fisica) fornisce al progettista una risposta del sistema o, nella terminologia circuitale e delle linee di trasmissione, un carico nei confronti dei generatori di segnale dei vari circuiti integrati e dispositivi discreti installati su questi substrati.

La caratterizzazione di questi elementi avviene in un dominio circuitale, non lineare, tramite modelli che caratterizzano le relazioni Input/Output definite da una specifica modalità di funzionamento (modelli IBIS e IBIS-AMI), e, tramite la modellazione discreta di componenti passivi e attivi a montaggio superficiale sulla scheda PCB.

L'output di un'analisi circuitale di questo tipo è tipicamente rappresentata dai profili temporali delle tensioni in ogni nodo del circuito, e specialmente in quelli corrispondenti ai pin della black box che schematizza la parte fisica del dispositivo. Questo tipo di informazione è preziosa perché consente di quantificare gli effetti di sovra o sotto-tensioni ai capi dei componenti, di ground bouncing in presenza di fenomeni di switching o impulsivi di qualunque genere.

Prestazioni e conformità normative

La simulazione numerica multi-dominio (campo/circuitale) consente di rappresentare in una singola interfaccia di tipo system/schematic sia gli aspetti funzionali del prodotto rappresentati dai segnali (si intenda un qualunque profilo di tensione tempo-variante) degli elementi di controllo che quelli elettromagnetici rappresentati dal substrato fisico della scheda PCB.

Una simulazione multi-dominio può essere descritta da due punti vista. Nel primo, è possibile immaginare di valutare gli effetti di un carico "fisico/elettromagnetico" della scheda sulla parte circuitale/funzionale. Nel secondo, è come se le soluzioni elettromagnetiche fosse pesate/sollecitate dai reali segnali operativi con caratteristici spettri armonici e non solo dal tradizionale impulso sinusoidale a frequenza variabile tipicamente impiegato per calcolarne la risposta in frequenza.

Proprio quest'ultimo punto di vista apre orizzonti per una caratterizzazione ancor più di dettaglio. Infatti, avere a disposizione i risultati di un'analisi elettromagnetica (campi EM radiati e condotti) in cui le sollecitazioni sono i reali profili di tensione e corrente descritti dalla DC a qualsivoglia frequenza, equivale a conoscere ogni dettaglio prestazionale e non del dispositivo pienamente operativo. Dove con pienamente operativo intendiamo acceso e funzionante in spazio aperto. Queste ultime tre condizioni sono proprio quelle che si ricreano in ambienti controllati come le camere anecoiche in cui si svolgono i test di EMI/EMC, specialmente per le emissioni radiate e condotte. Ma con il vantaggio che, in ambito numerico, queste condizioni sono stabilite deterministicamente e non sono soggette ad errori di misura o condizionate dagli stessi strumenti di misura e relativi accessori, come per esempio i cablaggi che non fanno parte del DUT.

Nella pratica, tutto questo si traduce in: minor tempo per raggiungere l’obiettivo; possibilità di provare, contemporaneamente, più configurazioni funzionali, componenti, ecc.; minor impegno delle infrastrutture “fisiche” (camera anecoica, operatori, ecc.). Da non trascurare l’opportunità di capitalizzare il know-how ottenuto dalla simulazione che di fatto diventa un asset aziendale condivisibile e riutilizzabile, in parte o in toto, in futuri progetti.