Les nouvelles générations de technologies électroniques entraînent une augmentation de la vitesse de commutation des composants. L’amélioration de la vitesse de fonctionnement des circuits impose des exigences de plus en plus élevées à la conception des PCB. La qualité de la conception des PCB détermine même les performances de fonctionnement des composants et de l’ensemble du circuit. En particulier, si l’on tient compte du coût, de la surface du PCB et de la fonctionnalité du circuit global, les sources de génération d’EMI (interférences électromagnétiques) deviennent de plus en plus nombreuses, avec un mécanisme complexe.
Mécanisme CEM et solutions
Les principaux éléments des interférences électromagnétiques (EMI) comprennent la source d’interférences électromagnétiques, le trajet de transmission et l’objet perturbé. Une fois les éléments conduisant à l’apparition des EMI identifiés, il est nécessaire de déterminer ceux qui sont faciles à résoudre et ceux qui ne peuvent être que partiellement résolus lors de la conception du PCB, afin qu’ils puissent être pris en compte dans les processus de placement, de routage et de mise à la masse.
• Mise en page
En termes deRoutage de PCBles zones doivent être divisées en fonction de différentes fonctionnalités. Les différentes fonctionnalités sont réparties dans différentes zones, tout en accordant une attention particulière aux unités sensibles dans les zones fonctionnelles.
En général, les principes suivants doivent être respectés pour la conception de circuits imprimés (PCB) :
a.Dans les circuits à haute vitesse, il est nécessaire de prendre en compte les paramètres de répartition des broches des composants, et la capacité répartie des broches de composants est particulièrement essentielle pour les signaux d’horloge à haute vitesse. Parallèlement, l’inductance répartie doit être prise en considération, car elle peut éventuellement entraîner une oscillation des signaux, ce qui provoque un dysfonctionnement du circuit. Par conséquent, lors du processus de routage, la répartition doit être organisée avec une haute densité, avec une longueur de connexion réduite pour le routage ultérieur et une diminution de l’influence des EMI.
b.Si des composants analogiques et des composants électroniques coexistent dans un circuit, ils doivent être répartis indépendamment lors du processus de routage. Étant donné que les signaux des composants numériques présentent des compositions complexes avec de multiples ondes harmoniques, ils exercent une forte influence sur les signaux analogiques. Ils doivent donc être pris en compte avec une grande attention.
c.Les unités d’horloge sont essentielles dans les circuits à haute vitesse. Le mécanisme de fonctionnement de l’unité d’horloge est en réalité équivalent à une source de bruit, ce qui signifie que cette unité va osciller lorsque certaines conditions sont remplies. En tant que source importante d’interférences conductrices et d’interférences de rayonnement, l’unité d’horloge ne doit pas être placée au bord du PCB. Sinon, les EMI deviendraient très graves. Il est nécessaire de placer les unités d’horloge au centre du PCB, ce qui peut réduire considérablement les EMI dans les circuits.
• Routage
En cours deRoutage de PCBDans le cas de coûts faibles, le plan de masse peut être agrandi autant que possible afin de réduire l’influence des EMI. Cependant, lorsque les coûts doivent être strictement contrôlés, le nombre de couches du PCB et la séquence d’empilage doivent être soigneusement pris en considération. De plus, les types de signaux doivent être pris en compte et le routage doit être effectué séparément pour les signaux à haute vitesse et les signaux à basse vitesse. En outre, d’autres éléments doivent être considérés, notamment la source de bruit et la manière de renforcer l’inhibition du bruit, les questions d’adaptation d’impédance (les signaux à haute vitesse sans adaptation appropriée entraîneront inévitablement une réflexion des signaux et réduiront la fiabilité des circuits), ainsi que la netlist.
a. Principes de base du routage
Les principes généraux suivis en matière de routage comprennent :
1).Les points de rupture doivent être évités dans le routage, ce qui signifie que les angles droits doivent être évités, comme le montre la Figure 1 ci-dessous.
Étant donné qu’un angle droit peut entraîner une réflexion, le point d’inflexion doit être conçu de manière fluide afin d’éviter ce phénomène. Parallèlement, les signaux clés ne doivent pas dépasser les zones divisées, faute de quoi les EMI seront immédiatement amplifiées. Le contournement de signal le plus courant consiste à traverser différentes zones d’alimentation divisées.
2).Dans le processus de routage, les composants analogiques et les composants numériques doivent être séparés les uns des autres, ce qui signifie que leurs pistes doivent être isolées. Parallèlement, la largeur des pistes de masse et des pistes d’alimentation doit être augmentée, en suivant la règle générale selon laquelle la largeur des pistes de masse est supérieure à celle des pistes d’alimentation, elle-même supérieure à celle des pistes de signal. De plus, le principe des 3W doit être pleinement pris en compte pour le routage des pistes de signal, tandis que pour les cartes multicouches, le principe des 20H doit être appliqué aux couches internes. La réalisation de ce qui précède permet d’éviter 70 % des EMI. Pour les pistes analogiques sensibles, des mesures telles que la mise à la masse peuvent être mises en œuvre.
3). Pour le routage de l’USB 2.0 ou d’autres lignes différentielles à haute vitesse, un routage couplé doit être appliqué et l’intégrité de la surface de référence entre les paires différentielles doit être garantie. Étant donné que les paires différentielles sont généralement des signaux à haute vitesse, le routage ne doit pas être disposé au bord du PCB.
b. Boucles
Les boucles ne peuvent jamais être évitées dans la conception de circuits imprimés (PCB). Les boucles se forment à partir des signaux qui sortent puis reviennent, et chacune d’elles joue le rôle d’antenne dans le fonctionnement. Pour réduire les EMI dans un PCB, il faut diminuer à la fois le nombre de boucles et la capacité d’antenne de celles-ci. Cela signifie que la direction de circulation de chaque signal doit être prise en compte dans la conception du PCB et que la surface de boucle doit être réduite pour les signaux à haute vitesse.
Dans les circuits, les boucles les plus couramment utilisées se trouvent dans les boucles de puissance contenues par le condensateur de découplage, comme le montre la Figure 2.
Si le condensateur de découplage est placé comme dans le schéma de gauche de la Figure 2, des boucles de courant relativement grandes seront générées, avec un phénomène EMI évident. En revanche, dans le schéma de droite de la Figure 2, où le condensateur de découplage est placé juste à côté de la puce, une boucle de découplage extrêmement petite est générée, dont la fonction principale est de réduire les EMI. Les principes à suivre pour réduire les boucles sont les suivants :
1).Un seul chemin est garanti entre deux points sur chaque ligne de signal.
2). Le plan de masse doit être appliqué sans aucune interruption afin de garantir l’absence de boucles de signal.
c. Fils de masse du PCB
1). Les différences entre la masse numérique, la masse analogique et la masse de blindage du système doivent être clarifiées dans le système de mise à la masse du PCB. Des perles magnétiques et des condensateurs sont utilisés pour séparer la masse numérique de la masse analogique, et la masse numérique doit être directement connectée à la masse de terrain.
2).Si possible, les fils de masse doivent être élargis sur le PCB.
3).Former des circuits fermés parfils de terrede manière à renforcer la capacité anti-interférence et à réduire la différence de niveau électrique entre les systèmes.
• Conception de filtres
Dans les circuits imprimés à haute vitesse, le traitement de filtrage peut être mis en œuvre sur les lignes d’alimentation et les lignes de signal. Les mesures courantes incluent l’ajout de composants de filtrage magnétiques, de filtres EMI et de condensateurs de découplage.
a. Sélection du condensateur de découplage
1).Dans un circuit, le condensateur de découplage aide à lisser l’alimentation et à renforcer la capacité anti‑interférence. En général, un condensateur céramique est choisi comme condensateur de découplage en raison de sa grande stabilité, de sa haute précision, de son faible volume et de sa faible ESR (résistance série équivalente). Dans la conception de circuits, la valeur de la capacité est choisie dans une plage allant de 1 μF à 100 μF, tandis que la capacité de tenue en tension doit être prise en compte en fonction des circuits.
2).Le condensateur de découplage doit être placé au plus près des composants.
b. Sélection des composants magnétiques
Les composants magnétiques peuvent être classés en inductances et en perles magnétiques. En général, l’inductance est placée à l’extrémité de la borne d’alimentation, tandis que les perles magnétiques sont placées entre les lignes de signal. Dans le processus desélection de composants, les paramètres de saturation doivent être pris en considération. Une fois que les composants magnétiques atteignent la saturation, ils seront détruits. En outre, il faut également tenir compte de la qualité et des paramètres de DCR des composants magnétiques.
Une mesure couramment utilisée parmi les lignes de signal consiste à appliquer des perles magnétiques sur les lignes série afin de renforcer la capacité CEM.
c. Sélection du filtre CEM
La zone présentant une interférence en mode commun sérieuse se situe à l’endroit où l’alimentation entre et où les lignes de signal sortent. Les mesures ordinaires pour éviter les interférences en mode commun comprennent l’ajout d’une inductance de mode commun, d’une résistance à coefficient non linéaire, d’un circuit LC et d’un filtre EMI spécifique. Dans les circuits à haute vitesse, le problème EMI doit être pris en compte pour la transmission à haute vitesse sur les interfaces numériques telles que l’USB et le HDMI.
• Réflexion du signal
Dans la transmission de signaux, on s’attend toujours à ce que l’énergie au terminal source soit transmise au terminal de charge, ce qui signifie que ZL doit être égal à ZO. S’ils ne sont pas égaux, une partie de l’énergie sera réfléchie.
Si le délai de transmission des lignes est relativement long, des signaux plus forts seront renvoyés vers le terminal source. Il faut alors modifier une quantité relativement importante pour la compensation lorsque la sonnerie est générée, comme le montre la figure 5 ci-dessous.
Lorsque des oscillations se produisent sur les signaux, les interférences électromagnétiques (EMI) atteignent leur niveau de gravité maximal. Pour éviter un tel phénomène dans la conception de circuits imprimés (PCB), veuillez suivre les principes du Tableau 1.
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Temps de montée du signal (ns)
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Longueur des lignes de signal (pouces)
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| 5 |
8,6 |
| 4 |
6,9 |
| 3 |
5.1 |
| 2 |
3,4 |
| 1 |
1,7 |
Test CEM
Après la conception du produit, malgré de nombreuses mesures pour éviter les interférences électromagnétiques (EMI), les problèmes ne seront découverts qu’au moment de la mise en œuvre des tests. Ensuite, certaines modifications peuvent être apportées pour résoudre ces problèmes.
Le test EMI comprend la méthode d’essai, les dispositifs et la position de test. Les méthodes d’essai doivent être réalisées en se référant à tous les éléments. Si les dispositifs ne parviennent pas à atteindre la norme, un spectromètre peut être utilisé pour un test qualitatif. Si une valeur EMI spécifique des dispositifs est requise, des équipements professionnels doivent être utilisés. En ce qui concerne la position de test, il est préférable d’effectuer le test dans une chambre noire.
