Come creare un layout flessibile per una board

Ci sono pochi modi per definire e costruire le piste della massa di un circuito di un regolatore switching.
Un modo che non funziona molto bene è quello di utilizzare un unico piano di massa per connettere fra loro tutte masse del circuito. In tal caso le corrente impulsive della sezione di potenza potrebbero passare per lo stesso percorso di massa usato anche dal partitore resistivo, dai capacitori usati dal chip, dalla massa analogica del chip causando una massa del circuito complessivamente ballerina.
Probabilmente il migliore approccio è quello di creare due masse separate:uno per la sezione di potenza a uno per la sezione analogica non rumorosa del regolatore.
Come mostrato in figura 4a la porzione di massa del circuito di potenza è costituita dal terminale di massa dei capacitori di ingresso ed uscita e dal source del MOSFET. Queste connessioni devono essere fatte con collegamenti corti e larghi. Massimizzando la larghezze e minimizzando la lunghezza delle linee di massa del circuito di potenza ( e di tutte le linee di potenza) si migliora l’efficienza in quanto si riduce la resistenza.
La massa analogica fornisce un percorso di ritorno alle correnti uscenti dal pin (AGND) del chip, dal terminale di massa del partitore resistivo e dal terminale di massa di tutti i capacitori connessi ai pin del chip stesso. Per questo motivo la massa analogica non e’ richiesta essere un piano ma può essere costituita da piste lunghe e sparpagliate poiché le correnti che fluiscono in esse sono piccole e costanti e quindi le loro resistenze ed induttanze non influiscono pesantemente.
Una buona soluzione sarebbe connettere la massa il pin AGND al pin PGND come mostrato Figura 4a.
Connettendo le due sezioni di massa ( analogica con AGND e di potenza con PGND) a questi pin si assicura che nessuna corrente di switching circola all’interno della massa analogica e viceversa.
La connessione tra i terminali AGND e PGND del chip deve essere molto stretta cioè virtualmente deve degenerare in un punto in modo che in esso non fluisca corrente ( centro stella).
Sebbene idealmente AGND possa essere connesso al terminale di massa del capacitore di uscita COUT, moltii chip regolatori richiedono che i loro due pin di massa siano connessi tra loro per evitare che tra i due pin di massa possa generarsi una differenza di tensione tale da attivare i diodi presenti nei terminali del chip ( diodi di protezione).
Facendo le piste che connettono PGND e COUT corte e larghe si fa si che sia il partitore sia i riferimenti interni del chip posso avere la stesso potenziale di massa dell’uscita del regolatore. Questo fatto è importante perché la tensione di uscita rappresenta la grandezza da controllare.
In figura 4 e’ mostrato un esempio come, realizzando due aree di massa diverse, si può isolare la corrente di massa ad alti livelli e rumorosa della sezione di potenza da quella della seziona analogica più piccola e meno rumorosa.

Figura 4a: Come connettere le due masse ( analogica e potenza) quando il chip regolatore possiede i terminali AGND e PGND.

Figure 4b. Se il chip regolatore ha un solo pin di gnd la connessione tra  le due massa deve essere fatta come mostrato  evitare il mescolarsi delle correnti della sezione di potenza con quella della sezione analogica

Figura 4c. Altro tipo di connessione tra sezione analogica e di potenza quando condizionato del package

Alcune volte ci sono dei capacitori di bypass connessi ai pin del chip che non devono essere connessi ne alla massa analogica ne a quella di potenza. Un esempio e’ il filtro RC da collegare sull’ingresso V+ del chip regolatore. In tal caso il terminale di massa del capacitore di questo filtro RC è rumoroso per la massa analogica ma al tempo stesso la massa di potenza è più rumorosa. Un soluzione e’ quella di definire un nuovo tipo di massa che deve essere connessa con la pista che connette a sua volta AGND e PGND ( o direttamente sul terminale GND del chip se questo ha un solo pin GND).
Infine il numero di strati gioca un ruolo nel layout del PCB.

In un PCB multi strato si può usare uno degli strati interni come schermo. Uno strato schermo permette di piazzare i componenti sui i due lati opposti del PCB senza che questi si influenzino. Non e’ una buona idea connettere i terminali di massa dei componenti di potenza allo strato schermo. Conviene collegare questi ad una area di massa dedicata solo a loro. Se e' possibile dedicare un intero strato ( per esempio il TOP) ma se ciò non e' possibile si possono dedicare un certo numero di strati alla sezione di potenza (in essi non si devono collegare elementi che richiedono la massa analogica)  connessi tra loro mediante  un adeguato numero di vias per diminuire la resistenza e l'induttanza .