De nos jours,circuits imprimés multicouchessont utilisés dans la plupart des systèmes de circuits à haute vitesse et de nombreux systèmes de circuits comportent de multiples tensions de fonctionnement, ce qui impose des exigences strictes à la conception des plans d’images, en particulier pour la gestion des relations entre plusieurs plans d’alimentation/masse. En outre, une surface spéciale de placage de cuivre doit être conçue sur la couche des composants afin d’empêcher les oscillateurs de produire de l’énergie RF (radiofréquence) et d’assurer une excellente dissipation thermique pour les composants de forte puissance.
Fonctions des plans d’image
Les plans d’image sont une surface revêtue de cuivre adjacente aux couches de signaux dans les circuits imprimés. Les principales fonctions des plans d’image incluent :
1).Réduction du bruit de refluage et des EMI (Interférences électromagnétiquesLes plans d’image offrent des trajets à faible impédance pour le retour de signal, en particulier lorsqu’un courant important circule dans le système de distribution d’alimentation. De plus, ils réduisent la surface de la boucle fermée formée par le signal et son retour, ce qui diminue les EMI.
2).Contrôle de la diaphonie entre les lignes de signal dans les circuits numériques à haute vitesse. La diaphonie est déterminée par le rapport D/H, dans lequel D désigne la distance entre la source d’interférence et l’objet perturbé, et H désigne la hauteur des plans d’image entre les couches de signal. Le rapport D/H peut être contrôlé en modifiant la valeur de H, de sorte que la diaphonie entre les lignes de signal soit finalement maîtrisée.
3).Contrôle de l’impédance. L’impédance caractéristique du câblage imprimé est liée à la largeur des conducteurs et à la distance entre les conducteurs et les plans d’image. En l’absence de plan d’image, il est possible que l’impédance ne puisse pas être contrôlée, ce qui entraîne l’échec de l’adaptation de la ligne de transmission et la réflexion du signal.
En outre, les plans d’image sont également capables de contrôler le bruit provenant des réflexions vers les cartes externes. Il faut reconnaître que les seuls plans d’image ne suffisent pas à la mise en œuvre de ces fonctions : des règles de conception strictes doivent être ajoutées pour atteindre les objectifs attendus. Ce fait peut être formulé ainsi : afin de contrôler le bruit dans les circuits numériques à haute vitesse, les plans d’image sont essentiels, mais ils ne peuvent pas fonctionner seuls.
Saut de couche du reflux de signal
Dans les circuits imprimés multicouches, chaque couche de routage doit être adjacente à un plan de référence, et le courant de retour des signaux circule sur le plan de référence correspondant. Lorsqu’une piste ne traverse pas une couche de routage, la méthode habituelle consiste d’abord à connecter la piste à une couche de routage, puis à la connecter à une autre couche au moyen de vias. Ainsi, la piste saute d’une couche à l’autre, et le courant de retour suit le même chemin. Lorsque les deux couches sont des plans de masse, le courant de retour peut sauter via des trous métallisés reliant les deux couches ou via des broches de masse. Quand l’une des couches est un plan d’alimentation et l’autre un plan de masse, la seule possibilité pour le courant de retour de sauter d’une couche à l’autre est l’emplacement où est placé un condensateur de découplage. S’il n’y a pas de condensateur de découplage ni de vias reliant le plan de masse, le courant de retour est obligé d’effectuer un saut en empruntant un chemin beaucoup plus long, ce qui le découple des autres circuits et provoque ainsi diaphonie et EMI.
Par conséquent, au cours deConception de PCBidéalement, le saut de couche doit être effectué au niveau des broches de masse adjacentes aux composants ou, au mieux, autour du condensateur de découplage. Lorsque cela n’est pas possible, des vias de masse (assurant le saut entre deux couches de masse) ou un condensateur de dérivation (assurant le saut entre une couche d’alimentation et une couche de masse) peuvent être placés au point de saut afin de permettre au courant de retour de changer de couche.
Plans de séparation
Dans le processus d’utilisation de circuits imprimés multicouches, il est parfois nécessaire de générer une zone sans feuille de cuivre d’une certaine largeur, divisant un plan d’image intégré en plusieurs parties indépendantes, ce que l’on appelle la séparation des plans.
Les plans de masse divisés sont généralement utilisés pour empêcher le bruit d’interférer avec les circuits sensibles et pour isoler différentes tensions de référence, par exemple pour empêcher le bruit numérique de pénétrer dans les zones analogiques, audio, d’E/S, ainsi que pour assurer l’isolation entre les alimentations 5 V et 3,3 V.
Les plans de séparation peuvent être classés en séparation complète et séparation incomplète. La première désigne l’isolation totale entre les couches d’alimentation et les couches de masse après séparation. La seconde désigne l’isolation totale entre les couches d’alimentation tandis que les couches de masse sont reliées par des « ponts ». Le choix entre une séparation complète ou incomplète dépend de l’existence ou non d’une connexion de signal entre les plans séparés.
• Exemples de plans de séparation
La figure 1 fait partie de la conception des plans d’images d’un circuit mixte analogique-numérique d’une plateforme de test. L’entrée vidéo analogique est transmise au FPGA par la conversion AD et est restituée par conversion DA. Les convertisseurs AD et DA utilisent chacun un module d’alimentation indépendant pour fournir l’énergie. Les composants numériques occupent la majeure partie de l’espace de la carte, tandis que les composants analogiques n’en occupent qu’une petite partie. Cependant, ils sont tous des éléments essentiels, importants pour les performances de l’ensemble du système. Par conséquent, une grande attention doit être portée lors du traitement de ces composants. L’idéal serait que le bruit de la partie numérique ne pénètre pas dans la partie analogique. Toutefois, certains signaux des convertisseurs AD et DA sont reliés au FPGA de la partie numérique. Afin d’assurer le retour de ces signaux connectés, l’alimentation numérique et l’alimentation analogique doivent être complètement isolées, tandis que la masse numérique et la masse analogique doivent être partiellement isolées, de manière à réduire au minimum l’influence de la partie numérique sur la partie analogique.
Toutes les lignes de la partie numérique à la partie analogique doivent passer par le pont dont l’ouverture doit être juste suffisante pour le passage des fils nécessaires, de sorte que le reflux du signal de données puisse revenir par le pont, évitant ainsi l’interférence avec d’autres signaux due à l’enroulement du chemin de retour. Dans cette conception de PCB, les masses des parties AD et DA sont complètement isolées l’une de l’autre.
• Certains problèmes dans le processus de découpage des plans
a. Chevauchement des couches d’isolation
Dans les circuits imprimés multicouches, les plans divisés sont généralement utilisés pour isoler différentes alimentations. De manière générale, les couches de masse correspondantes de ces alimentations sont isolées les unes des autres, c’est-à-dire que chaque alimentation possède sa propre couche de référence. Dans le processus de conception de PCB, le chevauchement des couches d’isolation doit être évité. Par exemple, dans la plupart des circuits imprimés multicouches, les couches d’alimentation et de masse de la partie analogique et de la partie numérique sont isolées l’une de l’autre. La couche d’alimentation analogique et la couche de masse numérique ne doivent pas se chevaucher dans l’espace, comme le montre la Figure 2.
Si une couche d’isolation se chevauche, une petite capacité de pad C1 apparaîtra dans la zone de chevauchement. Cette capacité fera en sorte que l’énergie RF transmise d’une couche à une autre couche isolée, statique et indépendante réduise l’efficacité de l’isolation.
b. Placement des condensateurs de découplage
Pour filtrer le bruit à haute fréquence généré par des composants à grande vitesse, de nombreux condensateurs de découplage sont disposés surPCB. Si des plans fendus apparaissent dans les PCB, au cours du routage il peut se produire une situation où les broches de masse du condensateur de découplage ne sont pas reliées aux autres couches de masse de référence mais à une couche de masse différente de celle correspondante. Ce type d’erreur peut se produire et conduit au découplage du bruit d’une couche à une autre, ce qui est similaire au chevauchement de plans fendus. C’est pourquoi ce problème doit être traité dès la phase de conception. Prenons de nouveau l’exemple d’un circuit mixte numérique‑analogique. L’alimentation analogique est amenée depuis la partie numérique à travers une perle de ferrite et C1 représente la capacité de découplage de la partie numérique. Dans la Figure 3A, les broches d’alimentation de C1 sont reliées à l’alimentation numérique tandis que les broches de masse sont reliées à la masse analogique, ce qui entraîne le découplage du bruit numérique haute fréquence dans la partie analogique sensible, ce qui est un mauvais raccordement. La Figure 3B montre un raccordement correct du condensateur de découplage.
c. Mise à la terre en un seul point
Lorsque des couches de référence de puissances différentes sont connectées ensemble, il faut garantir une mise à la terre en un seul point. Dans le circuit mixte numérique‑analogique donné en exemple, les cartes de circuit sont réparties en partie numérique et partie analogique, et la masse numérique comme la masse analogique possèdent au moins deux points de connexion, de sorte que le signal de bruit peut éventuellement circuler entre les deux couches de référence via ces deux points de connexion, ce que l’on appelle une « boucle de masse ». La boucle de masse entraîne du bruit, des interférences électromagnétiques (EMI), une consommation d’énergie et des difficultés de dissipation thermique. Il existe une solution simple au problème de boucle de masse : tant qu’il n’y a qu’un seul point de connexion entre les couches de référence, aucune boucle ne peut se former.
Couches de sol locales
Dans le cadre des plans d’image, les couches de masse locales désignent un plaquage de cuivre sur la surface supérieure des circuits imprimés, directement relié à la couche de masse interne. Leur fonction principale est de capter le flux magnétique RF généré à l’intérieur de certains composants clés (par exemple les oscillateurs) ou d’être utilisées pour la dissipation de puissance.
Pour obtenir d’excellentes performances, les oscillateurs, les quartz et les supports d’horloge doivent être assemblés sur une couche de masse locale indépendante. Les raisons incluent :
1).Si l’oscillateur est encapsulé dans un boîtier métallique, le courant RF généré à l’intérieur de ce boîtier métallique pourra éventuellement être si important que ses broches de masse ne parviendront pas à conduire ce fort courant vers la masse avec une méthode à faible consommation d’énergie. En conséquence, ce boîtier métallique devient une antenne unipolaire.
2).Siassemblage en montage en surfaceLa technique est utilisée lors du placement de l’oscillateur sur des circuits imprimés (PCB) ; le problème mentionné ci-dessus s’aggrave, car un matériau plastique est généralement utilisé dans le boîtier SMT, empêchant le courant RF d’être conduit vers le point de masse. Finalement, le courant RF généré à l’intérieur du boîtier sera rayonné dans l’espace libre et se découplera des autres composants.
3).Les oscillateurs ordinaires sont capables de piloter le tampon d’horloge appartenant à des composants à très haute vitesse et à front rapide, produisant une grande quantité de courant RF, ce qui peut éventuellement entraîner une défaillance de la fonction de courant.
Si une couche de masse locale est assemblée dans l’oscillateur et le circuit d’horloge, des plans d’image seront prévus, utilisés pour capter l’énergie RF générée à l’intérieur de l’oscillateur et des circuits correspondants afin que le rayonnement RF puisse être réduit.
Règle des 20 heures
En tant que règle empirique, la règle des 20-H décrit que, dans les PCB multicouches à haute densité, afin de réduire l’énergie électromagnétique rayonnée dans l’espace libre par les cartes de circuits, la taille du plan d’alimentation doit être inférieure de 20H à celle du plan de masse, où H désigne la distance entre les deux couches. Sur la Figure 4, la partie gauche montre le plan d’alimentation/masse sans aucun design particulier, dans lequel le rayonnement au bord est si fort qu’il influence les fonctions du circuit adjacent. La partie droite montre la situation du rayonnement RF en réduisant la taille de la surface d’alimentation de X-H. On peut voir que le plan de masse attire de nombreuses lignes de force magnétique et que l’énergie de rayonnement RF est réduite. D’après les résultats des expériences, la force de rayonnement RF commence à diminuer à partir de 10-H ; dans le cas de 20-H, le plan de masse est capable d’attirer 70 % du flux magnétique ; dans le cas de 100-H, la force magnétique peut diminuer de 98 %.
Bien sûr, le 20-H n’est pas parfait pour tout le mondeStructures de PCBL’efficacité de la règle des 20-H dépend de la fréquence de fonctionnement, de la taille physique des plans d’alimentation/masse et de la distance qui les sépare, ces deux derniers éléments déterminant la fréquence d’auto-résonance (SRF) du circuit imprimé. Des recherches indiquent que lorsque le circuit imprimé fonctionne à une quelconque SRF, la règle des 20-H ne fonctionne pas et le plan de masse ne parvient pas non plus à attirer l’énergie rayonnée. Pire encore, une grande quantité d’énergie rayonnée sera alors générée. Par conséquent, dans les circuits à haute vitesse réels, il est nécessaire de prendre en compte les situations spécifiques pour décider s’il convient ou non d’appliquer la règle des 20-H.
