EMC, abréviation de Compatibilité Électro-Magnétique, désigne un état de coexistence dans lequel les dispositifs électroniques sont capables d’exécuter leurs propres fonctions dans le même environnement électromagnétique. En termes simples, l’EMC permet aux dispositifs électroniques de fonctionner de manière indépendante et normale sans interférences entre eux, c’est-à-dire que ces dispositifs électroniques peuvent être compatibles les uns avec les autres dans l’ensemble du système. Comme l’EMC est obtenue en contrôlant l’EMI (Interférence Électro-Magnétique), elle se développe avec une série d’études concernant l’EMI, telles que l’introduction de l’EMI, la recherche sur l’EMI, les solutions anti-EMI et la gestion de l’EMI.
Principes fondamentaux de la CEM
Pour réduire les interférences entre les signaux numériques et les signaux analogiques, vous devez d’abord connaître deux principes fondamentaux de la CEM.
Principe 1 : La surface de la boucle du circuit doit être MINIMISÉE.
Principe 2 : Un SEUL plan de référence peut être appliqué dans un système.
Une fois que le Principe 1 n’est plus respecté et que les signaux doivent parcourir une grande surface de boucle, une grande antenne en boucle sera générée. Cependant, une fois que le Principe 2 n’est plus respecté et que deux plans de référence sont disponibles, une antenne dipôle sera créée. Aucun de ces résultats n’est celui attendu.
Règles et applications de partitionnement de PCB mixtes-signal
Il est recommandé de séparer la masse numérique et la masse analogique sur la même carte à signaux mixtes afin d’obtenir une isolation entre elles. Malgré la faisabilité de cette solution, de nombreux problèmes latents apparaîtront, particulièrement mis en évidence dans les systèmes de grande envergure. Le problème crucial réside dans le fait qu’il est impossible d’établir des pistes traversant la séparation entre la masse numérique et la masse analogique. Si des pistes sont établies à travers cette séparation, à la fois le rayonnement électromagnétique et la diaphonie des signaux augmenteront considérablement. Le plusproblème couramment rencontré dans la conception de PCBréside dans l’apparition de CEM due aux lignes de signal traversant une masse ou une alimentation séparée.
La figure 1 ci-dessous illustre la situation présentée ci-dessus.
Sur la base de cette méthode de séparation, les lignes de signal doivent traverser la séparation entre la masse numérique et la masse analogique. Alors, à quoi ressemble le chemin de retour du circuit de signal ? Supposons que les deux masses séparées soient reliées ensemble en un seul point et que, dans cette situation, une grande boucle soit générée par le circuit de masse. Par la suite,circuit haute fréquencecirculant dans une grande boucle entraînera l’apparition d’une grande boucle avec une forte capacité de masse et une radiation générée. Si un circuit analogique de bas niveau circule à travers cette grande boucle, il sera facilement perturbé par des signaux externes. La pire situation se produira lorsque la masse divisée est connectée à l’alimentation, formant une boucle de circuit extrêmement grande. De plus, une antenne dipôle sera formée lorsque la masse analogique et la masse numérique sont reliées ensemble par un long conducteur. Par conséquent, les ingénieurs doivent connaître le chemin et la méthode du circuit de retour dans les systèmes mixtes analogiques-numériques.Optimisation de la conception de PCBCependant, de nombreux ingénieurs considèrent le trajet parcouru par le signal sans réfléchir au chemin spécifique des circuits. Si le plan de masse doit être divisé et que le routage doit traverser cette séparation, une connexion en un seul point peut d’abord être réalisée entre les deux masses séparées en formant un pont, de sorte qu’un chemin de retour en courant continu soit fourni sous chaque ligne de signal, avec une petite aire de boucle, comme indiqué à la Figure 2.
L’application de dispositifs d’isolation optique ou de transformateurs permet également de faire passer des signaux à travers la séparation. Dans le cas des dispositifs d’isolation optique, ce sont des signaux optiques qui traversent la séparation. Dans le cas des transformateurs, c’est le champ magnétique qui traverse la séparation. Une autre méthode applicable réside dans l’utilisation de signaux différentiels. Le signal circule dans une ligne tout en revenant par une autre ligne de signal. Dans cette condition, la masse n’est pas requise comme chemin de retour.
Le partitionnement fractionné peut être appliqué dans les trois circonstances suivantes :
Circonstance 1 : Certains équipements médicaux nécessitent un faible courant de fuite entre le circuit connecté aux patients et le système.
Circonstance 2 : Les entrées provenant de certains équipements de contrôle de processus industriels peuvent être connectées à des dispositifs électromécaniques générant un fort bruit et une puissance élevée.
Circonstance 3 :Routage de PCBsouffre de certaines limites.
Des alimentations numériques et analogiques indépendantes sont généralement disponibles sur les PCB mixtes et des plans d’alimentation séparés peuvent et doivent être utilisés. Cependant, les lignes de signal situées à proximité immédiate des plans d’alimentation ne doivent pas traverser la séparation entre les alimentations, et toutes les lignes de signal franchissant cette séparation doivent être adjacentes à des plans conducteurs de grande surface. Dans certaines situations, les problèmes de séparation concernant les plans d’alimentation peuvent être évités en concevant l’alimentation analogique sous forme de pistes de connexion sur le PCB plutôt que simplement sous forme de plan.
Méthode de disposition du plan de masse et applications des PCB mixtes-signal
Pour discuter des interférences laissées par les signaux numériques sur les signaux analogiques, il faut d’abord comprendre les caractéristiques du courant haute fréquence. Le courant haute fréquence suit toujours le chemin présentant l’impédance minimale (l’inductance la plus faible) et se trouve directement sous les signaux. Par conséquent, le courant de retour circulera à travers le plan de circuit environnant, que ce plan soit un plan d’alimentation ou un plan de masse.
Dans la pratique, le plan de masse a tendance à être utilisé avec une carte de circuit imprimé partitionnée en section analogique et section numérique. Les signaux analogiques sont disposés dans les sections analogiques de tous les plans, tandis que les signaux numériques le sont dans la zone de circuit numérique. Dans cette situation, le courant de retour des signaux numériques ne circulera pas dans la masse des signaux analogiques. Tant que le routage des signaux numériques est effectué au-dessus de la section analogique ou que le routage des signaux analogiques est effectué au-dessus de la section numérique dans les PCB, des interférences produites par les signaux numériques sur les signaux analogiques seront générées.
L’apparition de tels problèmes ne provient pas de l’absence de masse scindée, mais d’une implantation inadaptée des signaux numériques. En matière de conception de PCB, l’utilisation du plan de masse, la séparation des circuits numériques et analogiques, ainsi qu’une implantation raisonnable des signaux contribuent généralement à résoudre les problèmes complexes liés au routage et au partitionnement. De plus, certains problèmes potentiels causés par la séparation des masses peuvent être évités. Par conséquent, l’implantation des composants et le partitionnement deviennent des éléments clés déterminant la qualité de la conception du PCB. Si l’implantation et le partitionnement sont suffisamment appropriés, le courant dans la masse numérique sera limité à la section numérique de la carte, empêchant ainsi les signaux analogiques d’être perturbés. L’implantation dans une telle situation doit être soigneusement examinée et vérifiée afin de garantir une conformité totale aux règles de routage. Dans le cas contraire, même une implantation inadaptée d’une ligne de signal peut éventuellement entraîner la défaillance de l’ensemble de la carte de circuit.
Lorsque les broches de masse analogique et de masse numérique d’un convertisseur A/N sont reliées ensemble, la plupart des fabricants de convertisseurs A/N recommandent de connecter les broches AGND et DGND à la même masse avec une faible impédance et au moyen de conducteurs aussi courts que possible. Cela s’explique par le fait que ces broches ne sont pas reliées à l’intérieur de la plupart des circuits intégrés de convertisseurs A/N, et que toute impédance externe connectée à DGND entraînera un couplage accru du bruit numérique vers le circuit analogique interne via les capacités parasites. En conséquence, les broches AGND et DGND du convertisseur A/N doivent toutes deux être reliées à la masse analogique. Néanmoins, cela soulève la question de savoir si la masse analogique ou la masse numérique doit être reliée à la borne de masse du condensateur de découplage des signaux numériques.
Lorsqu’il s’agit d’un système avec un seul convertisseur A/N, le problème évoqué ci-dessus peut être facilement résolu. Avec la masse séparée, la section de masse analogique et la section de masse numérique sont reliées sous le convertisseur A/N. Lorsque cette méthode est utilisée, le pont entre les deux masses doit être aussi large que le circuit intégré, et aucune ligne de signal ne doit traverser la séparation.
Lorsqu’il s’agit d’un système comportant quelques convertisseurs A/N, 10 par exemple, comment devons-nous les connecter ? Si nous suivons la même solution que celle présentée ci-dessus, c’est‑à‑dire connecter la masse analogique et la masse numérique sous le convertisseur A/N, cela entraînera des connexions multipoints, de sorte que l’isolation entre la masse analogique et la masse numérique deviendra dénuée de sens. Si la connexion n’est pas réalisée de cette manière, les exigences du fabricant ne seront pas respectées. La solution optimale réside dans l’utilisation d’un plan de masse unique, divisé en section analogique et section numérique. Ce type de disposition satisfait non seulement les exigences relatives à la masse analogique et à la masse numérique des fabricants de circuits intégrés, qui demandent une faible impédance entre elles, mais évite également les problèmes de CEM tels que l’antenne en boucle ou l’antenne dipôle.
Si les ingénieurs ont des doutes concernant l’application d’un plan de masse uniforme dans la conception de PCB, le routage peut être réalisé sur la base d’une méthode de séparation du plan de masse. Au cours du processus de conception, la carte doit permettre l’utilisation d’un fil de liaison de moins de 0,5 pouce ou d’une résistance de 0 ohm pour connecter les masses séparées. Une grande attention doit être portée au partitionnement et au routage afin de s’assurer qu’aucune ligne de signal numérique ne soit placée au‑dessus de la section analogique, et inversement. De plus, aucune ligne de signal ne doit traverser une séparation de masse ou une séparation des alimentations isolées. Pour tester les fonctions du PCB et son CEM, les deux masses doivent être reliées par une résistance de 0 ohm ou un fil de liaison, puis les fonctions de la carte et sa CEM doivent être retestées. La comparaison des résultats montre que, dans tous les cas, la solution de masse uniforme est meilleure que la solution de masses séparées en termes de fonctionnalités et de CEM.
Conception de PCB mixtes-signalest un processus complexe. Un PCB doit être divisé en sections indépendantes analogique et numérique, et le convertisseur A/N doit être placé à cheval sur ces sections. Pour séparer les alimentations analogique et numérique, la séparation entre les plans d’alimentation isolés ne doit pas être franchie, et les lignes de signal qui doivent la traverser doivent être disposées sur la couche de circuit adjacente à une grande zone. Il faut analyser où le courant de retour circule et comment il circule, afin de pouvoir adopter un placement de composants approprié et respecter correctement les règles de routage. Dans toutes les couches d’une carte de circuit imprimé, les signaux numériques ne peuvent être routés que dans les sections numériques, tandis que les signaux analogiques ne peuvent être routés que dans les sections analogiques.
Méthode de disposition du plan de masse et applications des PCB mixtes (analogiques-numériques)
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La compatibilité électromagnétique (CEM) permet aux dispositifs électroniques de coexister en synchronisation sans interférences, ce qui est essentiel dans la conception de circuits imprimés mixtes (analogiques/numériques). Grâce à l’application de méthodes telles que la réduction des surfaces des boucles de circuit et l’utilisation de plans de référence uniques, les ingénieurs peuvent réduire efficacement les effets électromagnétiques indésirables. Un partitionnement efficace des sections analogiques et numériques ainsi que des conceptions optimisées de plans de masse isolent la diaphonie et les interférences de bruit, améliorant l’intégrité du signal et les performances du système.
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