Influence du routage PCB sur les performances CEM des produits électroniques

Masse dans le PCB

• Influence de l’interférence de code commun sur le signal interne du PCB

Les pistes imprimées internes des circuits imprimés (PCB) présentent des paramètres parasites par rapport au plan de masse de référence et, lorsque des signaux fonctionnels sont transmis à l’intérieur du PCB, le même nœud équipotentiel dans le même réseau du circuit n’est plus équipotentiel. Le courantjeà l’intérieur du PCB, le signal part de l’extrémité de la source, traverse une série de supports, puis revient à la source du signal, formant ainsi un signal. De plus,jea tendance à circuler le long du chemin présentant une faible impédance de sorte quejegarde généralement inchangé avec la stabilité de l’impédance.

La figure 1 indique le processus par lequel une interférence en mode commun est transformée en interférence en mode différentiel à l’intérieur du PCB. je_dfait référence au courant en mode différentiel circulant à l’intérieur du PCB tandis queje_comfait référence au courant en mode commun qui soit part de l’extérieur du PCB et pénètre dans le PCB via la carte de masse de référence, soit part de l’intérieur du PCB et retourne à l’intérieur du PCB via la carte de masse de référence. Haute fréquenceje_coma deux chemins : le premier va du pointAindiquerBà l’intérieur du PCB en partant de GND ; le second part du pointAindiquerBen partant du port S₁au PCB interne par la capacité C. Impédance de masseZ_ABconduit à la génération de Δu_AB, donc lorsque le signal normal est transmis au CI₂, la déformation se produira pour signaler et l’interférence en mode commun est transformée en interférence en mode différentiel, ce qui produit une influence sur le signal normal sur la base de la formule qui estu₂=u₁-Δu_AB.

Par conséquent, dès queje_compénètre à l’intérieur du PCB par le port d’E/S ou par le rayonnement spatial, la capacité de filtrage en mode différentiel sur les lignes de signal du PCB ne peut qu’acheminer l’interférence vers la masse (GND). La condition préalable à ce résultat est que la masse (GND) soit considérée comme une faible impédance pour le retour du signal et que le courant s’écoule toujours vers la direction de la plus faible impédance.

• Clé de la mise en œuvre de la conception CEM : impédance de masse dans les PCB

La raison de la génération de CEM par des signaux haute fréquence réside dans le fait que le niveau de référence du signal GND ne parvient pas à maintenir sa caractéristique de faible impédance. Avec l’augmentation de l’impédanceZ_GNDdu niveau de référence, la qualité de la transmission du signal diminue également. Afin de résoudre le problème des interférences haute fréquence, des méthodes courantes sont utilisées dansConception CEMtels que le filtre, la masse et le blindage qui sont étroitement reliés à la « masse ».

On peut considérer le filtre comme un condensateur vers la masse, avec deux structures : l’une consiste à connecter le condensateur X à la masse de référence du signal, et l’autre à connecter le signal à la coque métallique par un condensateur Y ou par une connexion de masse différente à l’intérieur du PCB. L’écran peut être considéré comme le résultat de l’extension de la masse du PCB dans l’espace. Le but du filtre ou de l’écran est de faire passer les interférences en mode commun haute fréquence par une dérivation à faible impédance afin d’éviter qu’elles ne pénètrent dans le signal de fonctionnement normal. De même, toutes ces méthodes ne fonctionneront pas si la masse n’a pas une faible impédance.

La figure 2 indique l'effet de l'impédance de terre sur le filtre de circuit. je_coms’écoule selon la séquence de l’IC₁→CI₂→CI₁et lorsqu’il s’écoule jusqu’au pointP,je_coms’écoulera dans les circuits de dérivation de l’IC₁etC₁à travers lequel il s’écoule depuis le pointAàB. Si l’impédance entre le pointAetB, c’est-à-direZ_AB, est bien inférieure à l’impédance entre le pointPet CI₁. En ce moment,je_coms’écoule depuis le pointPàA, CI₁le filtre peut être réalisé. Lorsqueje_comflux vers le pointB, des circuits de dérivation se produiront qui sontB→CetB→Q. Si la conception du circuit imprimé n’est pas bien maîtrisée, l’impédance entre le pointBetC, c’est-à-direZ_{Colombie-Britannique},Z_{Colombie-Britannique}>>Z_C2+Z_Q.Z_Qfait référence à l’impédance entre le pointQet CI₂.je_coms’écoule en sens inverse vers l’IC₂port d’entrée viaC₂lorsque la capacité, qui était à l’origine utilisée uniquement pour les circuits intégrés₂joue un rôle dans l’interférence d’invasion du signal.

Afin d’obtenir un niveau de référence à faible impédance, il est généralement conçu comme une surface. De manière générale, un conducteur dont le rapport longueur/largeur est inférieur à 5 peut être considéré comme ayant une faible impédance dans le domaine de l’ingénierie. L’impédance des pistes imprimées n’est pas déterminée par leur longueur ou leur épaisseur. Dans la traditionPrincipes de conception de PCB, la mise à la terre en un seul point pour les circuits analogiques est donc fortement recommandéePrincipe de conception de PCBla mise à la terre multipoint des circuits numériques et la mise à la terre mixte des circuits des modules numériques ne sont plus efficaces pour traiter les problèmes de CEM.

Étant donné que tous les retours de tous les signaux doivent disposer d’une masse intégrée à faible impédance, les cartes à 4 couches ou multicouches avec plan de masse intégré sont capables de satisfaire cette exigence, tandis que les cartes simples à bas coût ne le peuvent pas. Lorsqu’une carte double couche doit être utilisée en raison de contraintes de coût, un plan de masse relativement intégré doit être conçu pour les signaux à l’intérieur du PCB. En pratique, l’impédance de masse du PCB est influencée à la fois par sa forme et par les vias des pistes de signaux, les fissures et les découpes. Les figures 3a et 3b montrent respectivement un mauvais et un excellent exemple de conception de plan de masse à faible impédance.

Dans cette figure, tous les composants se trouvent sur la face avant du PCB tandis que le plan de masse est à l’arrière. Les puces sont reliées par des pistes imprimées.abcdest imprimé en lignes au verso. Sous la pression d’une interférence de mode commun haute fréquence provenant de l’extérieur, le rainurage formé parcdconduira à l’augmentation deZ_GNDdu reflux des lignes imprimées.Z_GNDfluctue dans le processus de transmission du signal, entraînant une faible qualité du signal. Par conséquent, des couches de lignes imprimées entrecdpeut être échangé encore et encore à travers des trous au cours du processus de conception du routage de PCB de sorte queZ_GNDsera diminué. En outre, deux CI_Savec des signaux sensibles peuvent être disposés ensemble de manière à faire de GND un plan de masse localement relativement intégré afin de garantir que le signal ne soit pas perturbé pendant le processus de transmission du signal. Faites attention au fait que les vias ne doivent pas être disposés avec une trop grande densité, sinon cela provoquera également une rupture du plan de masse, entraînant l’escalade deZ_GND.

Conception d’empilage de circuits imprimés

La conception CEM est la plus adaptée aux circuits imprimés à 4 couches. Du point de vue de la susceptibilité électromagnétique (EMS), soit un boîtier métallique, soit un blindage métallique des circuits localement sensibles est capable de résoudre les problèmes d’interférences. Du point de vue des émissions électromagnétiques (EMI), il arrive que les cartes à 4 couches ne répondent pas aux exigences de limitation des émissions rayonnées et que le nombre de couches doive être augmenté, car les cartes multicouches peuvent permettre aux signaux à haute d_u/d_tet d_je/d_tassurer une plus petite surface de boucle de signal pendant le processus de transmission, en offrant un chemin de retour à faible impédance pour les signaux à haute vitesse.

Le principe de base deConception d’empilage de PCBconsiste à disposer la couche de signaux haute vitesse et le plan d’alimentation adjacents au plan de masse. La figure 4 montre la conception d’empilage des cartes à 4 couches et à 6 couches. S₁dans la Figure 4a fait référence à la couche de signaux haute vitesse, tandis que les Figures 4b, 4c et 4d sont trois conceptions ordinaires de circuits imprimés à 6 couches.

Parmi les 3 conceptions de PCB à 6 couches, concevoirbest le pire et S₂La couche doit être une couche de signal à haute vitesse. S₂couche en conceptioncetdest une couche de signal à haute vitesse. Conceptioncest le meilleur, car chaque couche de signal est étroitement adjacente au plan de masse afin d’assurer le chemin de retour du signal le plus court et S₂et les couches P sont protégées par la masse (GND)₁et GND₂. Par rapport à la conceptionc, S₃en conceptiondest éloigné de la couche GND et P ne peut atteindre que l’effet simple face au lieu de l’effet double face en raison de la conceptionc.

Antenne équivalente dans les circuits imprimés

La fonction fondamentale d’une antenne est de rayonner et de recevoir des ondes radio sans fil. Dans le processus de rayonnement, le courant haute fréquence peut être transformé en onde électromagnétique ; dans le processus de réception, l’onde électromagnétique est transformée en courant haute fréquence. Le rayonnement dans le domaine CEM fait principalement référence au rayonnement en champ lointain. La formation d’une antenne dépend de deux conditions de base : une source de signal RF et une certaine longueur de conducteurs reliés à la source de signal RF. Dans le domaine de l’ingénierie, on considère qu’un effet d’antenne apparaîtra lorsque la longueur du conducteur est conforme à la formule qui estl=λ/20. Lorsquel=(λ/4)n, l'effet d'antenne est le plus important avecnen tant que nombre naturel.

Lorsque le signal est transmis à l’intérieur du PCB, la boucle interne a le même effet qu’une antenne boucle. Plus la surface de la boucle est grande, plus l’effet d’antenne sera important. Un contrôle strict des boucles sur le PCB peut stopper efficacement les interférences en mode différentiel, ce qui est réalisable en pratique. Cependant, l’augmentation de la longueur des pistes imprimées provoquera un effet d’antenne en bâtonnet évident, de sorte que la longueur des signaux d’interconnexion doit être réduite autant que possible lors du routage du PCB.

Lorsque relativement élevéZ_GNDa lieu sur le trajet de reflux de haute du/dtsignaux transmis à l’intérieur du PCB, source de pilote en mode communu_comaura lieu avecje_comcoulant au-delàZ_GND, ainsi que les lignes imprimées ou les E/S stables connectées, qui peuvent rayonner vers l’extérieur.

Si les circuits imprimés (PCB) sont de taille relativement réduite, les pistes internes ne peuvent pas satisfaire aux exigences de rayonnement de l’antenne en raison de la limitation de leur longueur. Dans ces conditions, le câble d’E/S peut être considéré comme le prolongement des pistes imprimées, ce qui permet de répondre aux exigences de rayonnement. Même s’il n’existe aucune connexion directe à une E/S stable, il convient d’empêcher le couplage par diaphonie entre les câbles d’E/S.

Diaphonie à l’intérieur des circuits imprimés et ses remèdes

• Couplage entre les pistes imprimées du PCB et la masse de référence

Étant donné que la CEM traite principalement des signaux de mode commun haute fréquence, les paramètres répartis ne peuvent être évités ni à l’intérieur ni à l’extérieur du PCB. Un couplage capacitif se produit entre le PCB et la masse de référence, dont la capacité répartie est composée de la capacité de plaque et de la capacité naturelle dans le plus petit espace. La capacité de plaque est directement proportionnelle à la taille du PCB et inversement proportionnelle à la distance entre le PCB et la masse. La capacité naturelle dans le plus petit espace est directement proportionnelle au diamètre équivalent des pistes imprimées à l’intérieur du PCB. Par conséquent, quel que soit l’endroit où le PCB est placé, même très loin de la masse à l’infini, il existe toujours une capacité répartie entre les pistes internes et la masse. Dans un PCB, la capacité répartie d’un plan de masse (GND) relativement intégré par rapport à la carte de masse de référence est d’environ 10 pF, et la capacité répartie des pistes internes par rapport à la carte de masse de référence est approximativement comprise entre 0,001 pF et 0,1 pF, voire moins. La capacité répartie des pistes situées au centre du PCB est bien inférieure à celle des pistes situées au bord du PCB.

• Couplage à l’intérieur du PCB

a. Théorie du couplage à l’intérieur du PCB et son influence sur le signal

Le couplage à l’intérieur du PCB se compose d’un couplage capacitif et d’un couplage inductif dont la théorie est présentée à la Figure 5.

Dans cette figure, les deuxABetCDsont des lignes imprimées parallèles avec un petit espace entre deux lignes. Z₀fait référence au conducteur de la ligne de signal 1 tandis que Z₁et Z₂se réfèrent respectivement aux porteuses de la ligne de signal 2. Dans la Figure 5a, lorsque la tension de crête du signal sur la ligne impriméeABestu, le temps de montée du signal est Δt, et la pulsation est ω, la tension de Z₂sera toi_v=[Z₁Z₂/(Z₁+Z₂)]cΔu/Δt. Bien que_ca une valeur très faible, la valeur de Δu/dtpeut être très élevée et leur produit ne peut pas être évité. Dans la Figure 5b, lorsque le courant de crête du signal surABest je_c, le temps de montée du signal est Δt, et la pulsation est ω, l’inductance mutuellempassera entre 2 lignes impriméesCDsur lequel la tension induite est u_v=mωi_c. Bien que la valeur demest si petite que la fréquence du signal peut être augmentée. Par conséquent, leur produit ne peut pas être évité.

Par conséquent, le couplage capacitif et le couplage inductif sont tous deux liés au paramètre distribué des deux lignes imprimées.coum. Lors de la conception du PCB, les valeurs decetmpeut être réduit en augmentant la distance entre les lignes parallèles. Dans un circuit pratique, le couplage capacitif représente la majeure partie du circuit numérique et lorsquePlan de circuit imprimés’il n’existe ni surface lisse, ni rainurage, ni fissure, le diaphonie inductive aura plus d’influence que la diaphonie capacitive. Cependant, lorsque la surface du PCB est limitée, la diaphonie ne peut pas être traitée uniquement en augmentant la distance entre les lignes parallèles. Afin de maintenir les plus petits paramètres distribués entre deux lignes parallèles adjacentes, une conception de plan intégré doit être disposée dans la zone de projection et il est préférable d’avoir des couches de masse en haut et en bas.

b. Influence du fil de terre de blindage sur la réduction de la diaphonie

Le degré de diaphonie est déterminé par de nombreux éléments tels que la fréquence du signal, le temps de montée du signal, la distance entre les lignes de signal, le port de commande, les caractéristiques électriques du port de réception et le nombre de couches du circuit imprimé. La diaphonie peut être réduite en plaçant un plan de masse intégré sous les pistes imprimées et un fil de masse de blindage peut être ajouté entre les signaux.

Dans le processus de routage de PCB, deux aspects peuvent être bénéfiques pour empêcher la diaphonie. Premièrement, il convient d’isoler les circuits internes sensibles des circuits externes. Deuxièmement, la diaphonie entre les circuits internes ou les circuits de bruit et les autres signaux doit être évitée. Dans la disposition pratique d’un PCB, des tests détaillés doivent être effectués sur une même couche ou entre différentes couches du PCB afin de détecter l’existence éventuelle d’un risque de diaphonie.

Au cours de la procédure de routage du PCB, certaines lignes de signal présentant les mêmes caractéristiques doivent être acheminées en même temps, dans la même direction et avec la même densité. Si la limitation de l’espace sur le PCB fait que les composants de filtrage ne peuvent pas être placés sur la même ligne, des diaphonies entre signaux ont tendance à se produire. Cette situation est illustrée à la Figure 6 ci-dessous.

c. Influence du fil de terre de blindage sur l’effet de bord

Lorsque des lignes de signal très sensibles ou des lignes de signal avec une haute du/dt, dje/dtsont disposées le long du bord du PCB, elles subiront davantage de risques CEM que celles disposées au centre du PCB. Il est plus facile pour les lignes de signal situées en bordure de recevoir des interférences haute fréquence ou des rayonnements externes en raison d’une plus grande capacité parasite.

Compte tenu de la limitation de la surface du PCB, il est extrêmement difficile de réaliser le routage du PCB conformément aux principes 20H dans le fichier de conception. Le « packet » peut être utilisé pour réduire les interférences et le rayonnement externe. Les lignes de packet n’ont pas besoin de répondre à des exigences spécifiques telles que l’épaisseur et la forme. En général, lorsqu’une ligne de signal est trop proche du bord du PCB pour pouvoir cuivrer, une ligne de masse de l’ordre de 7 à 10 mils peut être ajoutée comme blindage.

d. Interférences mutuelles entre circuits numériques et analogiques

Lorsqu’un circuit imprimé (PCB) comporte à la fois des circuits numériques à haute vitesse et des signaux analogiques de faible niveau, des diaphonies sont généralement induites sur les signaux analogiques par le bruit numérique en cas de mauvais routage du PCB. L’interférence mutuelle entre les circuits numériques et analogiques est causée par les raisons suivantes. Premièrement, le bruit de diaphonie est provoqué par la capacité parasite et l’inductance parasite. Deuxièmement, un mauvais découplage de l’ondulation d’alimentation et de l’alimentation des circuits intégrés numériques engendre un bruit d’alimentation. Troisièmement, l’impédance de masse et la disposition de la masse du système provoquent du bruit. Le problème du bruit doit être traité dans l’ordre suivant : alimentation, signal et masse.

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