Dans la conception de circuits imprimés, la compatibilité électromagnétique (CEM) et les interférences électromagnétiques (EMI) associées constituent traditionnellement deux problèmes majeurs pour les ingénieurs, en particulier dans les conceptions de circuits imprimés actuelles et les packages de composants continuent de diminuer, les OEM exigeant des systèmes plus rapides.Dans cet article, je vais expliquer comment éviter les problèmes électromagnétiques lors de la conception de PCB.
1. La diaphonie et l’alignement sont au centre des préoccupations
L'alignement est particulièrement important pour assurer la bonne circulation du courant.Si le courant provient d'un oscillateur ou d'un autre dispositif similaire, il est particulièrement important de maintenir le courant séparé de la couche de terre, ou d'empêcher le courant de circuler en parallèle avec un autre alignement.Deux signaux haute vitesse en parallèle peuvent générer des CEM et des EMI, notamment une diaphonie.Il est important de garder les trajets des résistances aussi courts que possible et les trajets du courant de retour aussi courts que possible.La longueur du chemin de retour doit être la même que la longueur du chemin de transmission.
Pour EMI, un chemin est appelé le « chemin de la violation » et l’autre est le « chemin de la victime ».Les couplages inductifs et capacitifs affectent le chemin « victime » en raison de la présence de champs électromagnétiques, générant ainsi des courants directs et inverses sur le « chemin victime ».De cette manière, l’ondulation est générée dans un environnement stable où les longueurs d’émission et de réception du signal sont presque égales.
Dans un environnement bien équilibré avec des alignements stables, les courants induits devraient s'annuler, éliminant ainsi la diaphonie.Cependant, nous sommes dans un monde imparfait où une telle chose n’arrive pas.Par conséquent, notre objectif est que la diaphonie soit réduite au minimum pour tous les alignements.L'effet de diaphonie peut être minimisé si la largeur entre les lignes parallèles est deux fois supérieure à la largeur des lignes.Par exemple, si la largeur de la ligne est de 5 mils, la distance minimale entre deux lignes parallèles doit être de 10 mils ou plus.
À mesure que de nouveaux matériaux et composants apparaissent, les concepteurs de circuits imprimés doivent également continuer à faire face aux problèmes de CEM et d'interférences.
2. Condensateurs de découplage
Les condensateurs de découplage réduisent les effets indésirables de la diaphonie.Ils doivent être situés entre les broches d'alimentation et de terre de l'appareil, ce qui garantit une faible impédance CA et réduit le bruit et la diaphonie.Pour obtenir une faible impédance sur une large plage de fréquences, plusieurs condensateurs de découplage doivent être utilisés.
Un principe important pour le placement des condensateurs de découplage est que le condensateur ayant la valeur de capacité la plus faible soit placé aussi près que possible de l'appareil afin de réduire les effets inductifs sur les alignements.Ce condensateur particulier doit être placé aussi près que possible des broches d'alimentation de l'appareil ou du chemin de câbles d'alimentation et les plots du condensateur doivent être connectés directement aux vias ou au niveau de la terre.Si l'alignement est long, utilisez plusieurs vias pour minimiser l'impédance de la terre.
3. Mise à la terre du PCB
Un moyen important de réduire les interférences électromagnétiques consiste à concevoir la couche de mise à la terre du PCB.La première étape consiste à rendre la zone de mise à la terre aussi grande que possible sur la surface totale de la carte PCB afin de réduire les émissions, la diaphonie et le bruit.Un soin particulier doit être apporté lors de la connexion de chaque composant à un point de terre ou à une couche de terre, sans lequel l'effet neutralisant d'une couche de terre fiable ne peut pas être pleinement utilisé.
Une conception de PCB particulièrement complexe présente plusieurs tensions stables.Idéalement, chaque tension de référence possède sa propre couche de mise à la terre correspondante.Cependant, un trop grand nombre de couches de mise à la terre augmenterait les coûts de fabrication du PCB et le rendrait trop cher.Un compromis consiste à utiliser des couches de mise à la terre dans trois à cinq emplacements différents, chacun pouvant contenir plusieurs sections de mise à la terre.Cela contrôle non seulement le coût de fabrication de la carte, mais réduit également les EMI et l'EMC.
Un système de mise à la terre à faible impédance est important si l'on veut minimiser la CEM.Dans un PCB multicouche, il est préférable d'avoir une couche de mise à la terre fiable plutôt qu'un bloc d'équilibrage en cuivre (vol de cuivre) ou une couche de mise à la terre dispersée car elle a une faible impédance, fournit un chemin de courant et constitue la meilleure source de signaux inverses.
Le temps nécessaire au signal pour revenir au sol est également très important.Le temps nécessaire au signal pour se déplacer vers et depuis la source doit être comparable, sinon un phénomène semblable à celui d'une antenne se produira, permettant à l'énergie rayonnée de faire partie de l'IEM.De même, l'alignement du courant vers/depuis la source du signal doit être aussi court que possible. Si les chemins source et retour ne sont pas de longueur égale, un rebond au sol se produira et cela générera également des EMI.
4. Évitez les angles de 90°
Pour réduire les EMI, l'alignement, les vias et autres composants doivent être évités pour former un angle de 90°, car un angle droit générera un rayonnement.Pour éviter un angle de 90°, l'alignement doit être d'au moins deux câblages d'un angle de 45° vers le coin.
5. L'utilisation du sur-trou doit être prudente
Dans presque toutes les configurations de PCB, des vias doivent être utilisés pour assurer une connexion conductrice entre les différentes couches.Dans certains cas, ils produisent également des réflexions, car l'impédance caractéristique change lorsque les vias sont créés dans l'alignement.
Il est également important de se rappeler que les vias augmentent la longueur de l’alignement et doivent être adaptés.Dans le cas d'alignements différentiels, les vias doivent être évités autant que possible.Si cela ne peut être évité, des vias doivent être utilisés dans les deux alignements pour compenser les retards dans les chemins de signal et de retour.
6. Câbles et blindage physique
Les câbles transportant des circuits numériques et des courants analogiques peuvent générer des capacités et des inductances parasites, provoquant de nombreux problèmes liés à la CEM.Si des câbles à paires torsadées sont utilisés, un faible niveau de couplage est maintenu et les champs magnétiques générés sont éliminés.Pour les signaux haute fréquence, des câbles blindés doivent être utilisés, avec leurs faces avant et arrière mises à la terre, pour éliminer les interférences EMI.
Le blindage physique consiste à envelopper tout ou partie du système dans un boîtier métallique pour empêcher les interférences électromagnétiques de pénétrer dans les circuits du PCB.Ce blindage agit comme un condensateur fermé conducteur de terre, réduisant la taille de la boucle d'antenne et absorbant les interférences électromagnétiques.
Heure de publication : 23 novembre 2022