In bassa frequenza, la disposizione dei componenti elettronici su circuito stampato può essere effettuata con maggiore libertà e disinvoltura. Le uniche criticità da seguire riguardano il design finale e la dissipazione del calore. In alta frequenza, invece, la loro collocazione riveste un'importanza basilare e un posizionamento errato, sebbene elettricamente valido, comprometterebbe il funzionamento dell'intero sistema.
Il posizionamento dei componenti elettronici sul PCB è la parte fondamentale di qualsiasi progetto. Molti ingegneri, spesso, bypassano questa fase relegandola, magari, dopo aver risolto altre problematiche. In alta frequenza l'esigenza del buon posizionamento è maggiore, al fine di ottimizzare i percorsi dei segnali e migliorare il funzionamento del circuito. Oggi, la migliore collocazione dei componenti su una scheda non è solo frutto di severe regole teoriche dell'elettronica ed essa è molto agevolata e aiutata da potenti software che accompagnano i progettisti nella realizzazione di circuiti elettronici molto sofisticati. Le regole più generali dovrebbero riguardare la riduzione della lunghezza dei percorsi critici, la separazione fisica tra i circuiti di potenza e quelli di decisione e la distinzione delle parti analogiche da quelle digitali. Una oculata disposizione contribuisce a ottenere un aumento di efficienza del circuito, riducendone le dimensioni fisiche.
Posizionamento dei componenti in alta frequenza
Quando i segnali elettrici superano la frequenza di 1 MHz, il sistema diventa estremamente critico, soprattutto per quanto riguarda il posizionamento dei componenti elettrici ed elettronici, specialmente quelli capacitivi e induttivi. I componenti, benché elettricamente collegati tra loro, si comportano diversamente secondo la loro disposizione, la forma e la dimensione del collegamento elettrico. A volte e sufficiente spostare di alcuni centimetri un condensatore o una induttanza per modificare totalmente il comportamento del circuito elettronico. Questo è il caso di trasmettitori e ricevitori radio, amplificatori HF e altre apparecchiature che funzionano con frequenze alte. Si ricorda che quando queste ultime sono nell'ordine dei Mhz, i segnali abbandonano i circuiti elettrici e si diffondono nello spazio circostante. Anche una piccolissima variazione nel cablaggio e nei collegamenti influisce (in modo positivo o negativo) sul funzionamento del dispositivo. La figura 1 dimostra tale criticità attraverso un piccolo circuito elettrico in alta frequenza. Specialmente in queste tipologie di circuiti e di soluzioni, i punti di massa dovrebbero essere collocati vicino ai componenti, al fine di evitare il formarsi di lunghe linee di segnale che comprometterebbero il buon funzionamento del sistema HF. I terminali dei componenti elettronici non dovrebbero essere molto distanti tra loro, specialmente nei punti di massa, perché potrebbero verificarsi facilmente autooscillazioni indesiderate. Al contrario, i componenti dovrebbero essere collegati, se possibile, a un unico piano di massa.
Figura 1: Nei circuiti ad alta frequenza il piano di massa deve risultare molto limitato, in termini di estensione, e i componenti a esso collegati dovrebbero risultare il più vicino possibile tra loro.
Per quanto riguarda i collegamenti tra sintonia e elementi di amplificazione, essi dovrebbero risultare molto corti, specialmente se la frequenza di lavoro supera 8-10 Mhz. Nel caso di circuiti LC ad alta frequenza, a volte la rotazione fisica di un induttore rispetto al condensatore cambia totalmente l'efficienza di un circuito, benché resti uguale il collegamento elettrico (vedi figura 2).
Figura 2: In alta frequenza non basta che i componenti reattivi siano collegati elettricamente, ma devono essere disposti tra loro nel modo corretto.
Per il posizionamento dei resistori occorre anche prestare la massima attenzione poiché, specialmente per quelli di potenza, esse sono costituite internamente da una spirale di materiale semiconduttore che funge da induttore. Mentre per i montaggi in corrente continua o a bassa frequenza questo fatto non costituisce alcun problema, in alta frequenza è un aspetto da considerare con molta accuratezza.
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Piazzamento dei componenti per la dissipazione del calore
L'ottimizzazione di un PCB e il posizionamento dei componenti elettronici è sempre un'attività delicata e impegnativa (vedi figura 3). La regola generale afferma che le piste che collegano i vari elementi (resistori, condensatori, induttori, integrati e altro), dovrebbero risultare estremamente corti con dispositivi molto ravvicinati tra loro. Questo è vero quando si opera prevalentemente in alta frequenza. Tuttavia la minimizzazione della lunghezza dei collegamenti potrebbe creare problemi termici, causando un accumulo irregolare di calore locale e causare provocare guasti a prima vista non spiegabili. In questi casi si preferisce adottare posizionamenti paralleli dei componenti e canalizzazioni termiche nel circuito. Gli attuali approcci forniscono anche metodi rapidi per determinare un posizionamento ottimale dei componenti ottenendo, di fatto, una distribuzione uniforme del flusso di calore. Il vantaggio che ne deriva è una migliore prestazione termica dell'intero sistema.
Figura 3: Le rilevazioni delle temperature operative e le simulazioni termiche contribuiscono a un buon posizionamento dei componenti elettronici.
E' utile approcciare anche l'aspetto squisitamente scientifico del problema, attraverso l'uso di equazioni. Viene considerato un modello matematico per l'andamento di ogni singolo componente, descrivendo le temperature dell'aria su una scheda elettronica. La scheda è costituita da una griglia con elementi termicamente attivi che generano calore ma, allo stesso tempo, vengono raffreddati attraverso un flusso forzato di aria fresca per convezione. I modelli prevedono equazioni per le temperature dei componenti e per l'aria. Modelli matematici lineari danno, generalmente, ottimi risultati. Il modello utilizzato contribuisce a trovare il posizionamento ottimale dei componenti elettronici su una scheda, al fine di diminuire la temperatura generale del sistema, con aumento delle prestazioni e dell'affidabilità. In normali condizioni i modelli convergono in un unico stato stazionario della temperatura. L'ottimizzazione relativa ha lo scopo di minimizzare la temperatura massima della scheda.
Piazzamento dei componenti e Algoritmi Genetici
Con l'avvento dell'intelligenza artificiale, anche questo settore dell'elettronica è ampiamente coinvolto. Esistono implementazioni di Algoritmi Genetici per l'ottimizzazione del posizionamento dei componenti elettronici, soprattutto per la valutazione del grado termico durante il funzionamento (vedi figura 4). Inizialmente essi vengono posizionati su una superficie e raffreddati a convezione mediante flusso d'aria forzata. Il modello termico è bidimensionale. L'algoritmo, quindi, ottimizza la posizione e la spaziatura seguendo diversi criteri termici. Nella successiva fase l'algoritmo genetico viene utilizzato per ottimizzare la posizione dei componenti elettronici su un PCB seguendo, questa volta, un modello termico tridimensionale. Per questo genere di ottimizzazioni il software esegue milioni di permutazioni e di combinazioni fino a trovare la disposizione migliore.
Figura 4: Gli Algoritmi Genetici aiutano molto nell'ottimizzazione della posizione dei componenti sul PCB.
Conclusioni
Non esiste in assoluto il miglior posizionamento dei componenti elettronici su un circuito. Esso dipende da tanti fattori come la frequenza operativa, la potenza e la corrente in circolazione, le temperature di funzionamento previste e molte altre. Oggi sono stati sviluppati strumenti di calcolo che forniscono rapidamente ottimi posizionamenti dei componenti con una distribuzione uniforme del flusso di calore. Gli strumenti più sofisticati si basano su algoritmi genetici che utilizzano diverse combinazioni di strategie risolutive. Si prevede che queste tipologie di approccio possano essere utilizzate in un'ampia varietà di applicazioni, come quelle spaziali, automobilistiche e forniture di energia in genere.
