Guide des techniques de mise à la terre des PCB

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• Qu'est-ce qu'un sol ?
• Terminologie de mise à la terre
• Techniques de mise à la terre des PCB
• Ce qu'il faut retenir lors de la mise à la terre
• Assurez-vous que tout est joint
• Gardez votre couche de sol entière
• Minimiser l'utilisation des vias en série
• Avoir un point commun

La mise à la terre est un concept critique pour tout circuit électronique et tout système traitant d'un courant électrique. Tout, du réseau électrique à une maison en passant par une carte de circuit imprimé (PCB), a une mise à la terre. Les PCB sont essentiels au fonctionnement de presque tous les appareils électroniques, et chaque PCB a besoin d'une mise à la terre appropriée pour fonctionner correctement.

Les gens utilisent le terme sol pour décrire divers concepts. Dans cet article, nous discuterons de ces concepts, de l'importance de la masse dans un PCB et des différentes méthodes que l'on peut utiliser pour la mise à la terre dans un PCB.

Qu'est-ce qu'un plan de masse PCB ?

Le plan de masse sur une carte de circuit imprimé est un corps conducteur qui agit comme un nœud arbitraire de tension potentielle et un retour commun pour le courant électrique. C'est un point de référence zéro ou zéro volt. Le sol est la référence sur laquelle vous basez le signal.

En électronique, la masse est le nom donné à un certain point du circuit. Dans un circuit avec une batterie avec une borne positive et négative, la borne négative est généralement appelée la masse.

Certains circuits ont des connexions appelées positif, négatif et masse. Dans ces cas, la masse est le point médian entre les bornes négative et positive mesurées en tension. Si la tension est de neuf, le plan de masse serait de 4,5 volts. Vous appelleriez cependant le point zéro, la borne positive 4,5 volts et la borne négative -4,5 volts. Vous pouvez le faire car la tension est une mesure entre deux points, et il y a toujours une différence de neuf entre 4,5 et -4,5.

Une mauvaise utilisation des techniques de mise à la terre peut réduire considérablement les performances d'un système. Vous devez gérer divers aspects de la mise à la terre, y compris le contrôle des tensions de masse et de retour de signal parasites, qui peuvent détériorer les performances. Le couplage de signaux externes, les courants communs et d'autres problèmes peuvent provoquer ces tensions. L'acheminement et le dimensionnement corrects des conducteurs, l'utilisation de la gestion différentielle des signaux et l'utilisation de techniques d'isolation à la terre aident à contrôler ces tensions indésirables.

Il existe également des considérations particulières lorsque vous travaillez dans un environnement analogique et numérique à signaux mixtes. La mise à la terre peut aider à minimiser le bruit lorsque vous travaillez avec des signaux qui ont une large plage dynamique.

Terminologie de mise à la terre

Il existe différents types de nœuds appelés terrains, notamment les terrains flottants, les terrains virtuels et les terrains terrestres.

• Terrains flottants : Ces nœuds sont des points de référence dans un système isolé et ne sont pas physiquement connectés à la terre.
• Terrains virtuels : Ces nœuds peuvent être trouvés dans un circuit de rétroaction négative à la borne inverseuse d'un amplificateur opérationnel. Lorsque l'entrée non inverseuse est à zéro volt, la rétroaction fera correspondre la borne inverseuse dans un circuit stable. La valeur n'est pas un retour stable pour les autres circuits et n'est maintenue que par le retour.
• Mise à la terre AC : Ces nœuds ont des valeurs CC à faible impédance. Cette tension continue est stable même lorsqu'elle est exposée à de petites perturbations. En raison de sa valeur DC, ce nœud ne peut pas être utilisé comme une terre appropriée, mais comme il est stable, il peut être utilisé comme point de référence.
• Mise à la terre : Dans un grand système électrique, la terre est littéralement une connexion à la terre. Chaque maison, par exemple, a un poteau en cuivre qui est enfoncé dans la terre pour épuiser les courants excédentaires.
• Maison du châssis : L'électronique d'un PCB ne peut pas se connecter à la masse physique, mais une masse de châssis a le même objectif. Cette terre est la connexion d'un fil de sécurité entre le secteur CA et le boîtier ou le châssis du produit.

Étant donné qu'une mise à la terre et une mise à la terre du châssis remplissent la même fonction, ces termes sont souvent utilisés de manière interchangeable avec le terme mise à la terre de sécurité.

Lorsqu'il s'agit de mettre à la terre un PCB, il n'y a pas d'approche unique. Pour déterminer la meilleure façon de mettre à la terre un système, vous devez comprendre la façon dont les courants y circulent. Il existe cependant diverses méthodes parmi lesquelles choisir et quelques conseils pour les meilleures pratiques de mise à la terre qui s'appliquent à la majorité des systèmes. Pour déterminer l'approche qui convient à votre tableau, vous devez vous assurer de bien comprendre la conception du tableau et vous devrez peut-être essayer plusieurs techniques.

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Techniques de mise à la terre des PCB

Il existe différentes techniques que l'on peut utiliser pour mettre à la terre un PCB. Voici quelques-unes des approches les plus couramment utilisées aujourd'hui.

1. Plan au sol

Une technique courante consiste à utiliser un plan de masse, qui est un gros morceau de cuivre sur un circuit imprimé. En règle générale, les fabricants de PCB couvriront toutes les zones qui n'ont pas de composant ou de trace avec le plan de masse en cuivre.

Dans une carte à deux couches, les règles standard du plan de masse des PCB indiquent que le plan de masse doit être placé sur la couche inférieure de la carte, tandis que les composants et les traces de signal sont sur la couche supérieure.

Il est préférable d'éviter de créer un anneau de matériau conducteur formé par le plan de masse, car cela rend le plan de masse plus sensible aux interférences électromagnétiques (EMI). Cet anneau conducteur agit comme un inducteur et un champ magnétique externe peut provoquer un courant électrique appelé boucle de masse. Vous pouvez vous retrouver avec un anneau conducteur si vous placez le plan de masse sur toute la couche inférieure, puis retirez les pièces qui ont des composants électroniques. Pour éviter ce problème, créez des traces aussi courtes que possible et, après les avoir cartographiées, placez votre plan au sol de manière à ce qu'il passe entièrement en dessous. Vous devrez peut-être ajuster la disposition des pistes et des composants pour éviter d'avoir à créer des anneaux conducteurs.

Le plan de masse est aussi souvent des deux côtés de la carte. Dans certains cas, le plan côté composant est maintenu à la tension d'alimentation et le plan de l'autre côté de la carte est mis à la terre. Le plan de masse est connecté aux broches de masse des composants et des connecteurs pour maintenir la tension de masse au même niveau sur l'ensemble du PCB.

Sur un circuit imprimé à deux couches, vous pouvez également utiliser plusieurs plans de masse. Chaque avion doit se connecter à l'alimentation électrique individuellement pour maintenir les avions séparés et empêcher les boucles de masse de se produire.

2. Vias du plan de masse

S'il y a des plans de masse des deux côtés du PCB, ils seront connectés via des vias à de nombreux endroits différents sur la carte. Ces vias sont des trous qui traversent la carte et relient les deux côtés l'un à l'autre. Ils vous permettent d'accéder au plan de masse depuis n'importe quel endroit où vous pouvez passer dans un via.

L'utilisation de vias peut vous aider à éviter les boucles de masse. Ils connectent les composants directement aux points de masse, qui se connectent par une faible impédance à tous les autres points de masse du circuit. Ils aident également à réduire la longueur des boucles de retour.

Des morceaux de cuivre, tels que des plans de masse, peuvent résonner au quart de la longueur d'onde de la fréquence du courant qui y circule. La mise en place de vias de couture autour du plan de masse à des intervalles spécifiques peut aider à contrôler cela. Une règle pratique consiste à placer des vias de terre à un huitième de longueur d'onde ou moins. Cela fonctionne car un stub sur une trace ne commence à devenir un problème qu'à un huitième de longueur d'onde.

Pour créer des vias, vous percez de petits trous dans la carte et y faites passer de fins fils de cuivre avant de les souder de chaque côté pour former les connexions nécessaires.

3. Terres du connecteur

Tous les connecteurs d'un circuit imprimé doivent être reliés à la terre. Dans les connecteurs, toutes les conduites de signal doivent fonctionner en parallèle. Pour cette raison, vous devez séparer les connecteurs à l'aide de broches de terre.

Chaque carte aura probablement besoin de plus d'une broche de connecteur menant à la terre. Le fait d'avoir une seule broche peut entraîner des problèmes d'inadéquation d'impédance, ce qui peut provoquer des oscillations. Si l'impédance de deux conducteurs connectés ne correspond pas, le courant circulant entre eux peut rebondir d'avant en arrière. Ces oscillations peuvent altérer les performances du système et l'empêcher de fonctionner comme prévu. La résistance de contact de chaque broche d'un connecteur est faible mais peut augmenter avec le temps. Pour cette raison, il est idéal d'utiliser plusieurs broches de terre. Environ 30 à 40 % des broches d'un connecteur de circuit imprimé doivent être des broches de mise à la terre.

Les connecteurs sont disponibles en différents pas et peuvent avoir différents nombres de rangées de broches. Les broches d'un connecteur peuvent également être parallèles à la surface du circuit imprimé ou perpendiculairement à celle-ci.

4. Découplage

Les PCB contiennent une ou plusieurs puces de circuit intégré, qui nécessitent de l'énergie pour fonctionner. Ces puces ont des broches d'alimentation pour les connecter à une source d'alimentation externe. Ils ont également des broches de masse, qui les connectent au plan de masse du PCB. Entre les broches d'alimentation et de masse, il y a un condensateur de découplage, qui sert à lisser les oscillations de la tension fournie à la puce. L'extrémité opposée du condensateur de découplage se connecte au plan de masse.

L'une des principales raisons de l'utilisation de condensateurs de découplage est liée à la fonctionnalité. Un condensateur de découplage peut jouer le rôle de dispositif de stockage de charges. Lorsque le circuit intégré (IC) nécessite un courant supplémentaire, le condensateur de découplage peut le fournir via un chemin à faible inductance. Pour cette raison, il est préférable de placer les condensateurs de découplage à proximité des broches d'alimentation du circuit intégré.

Un autre objectif principal est de réduire le bruit émis dans les paires de plans d'alimentation et de masse et de réduire les EMI. Deux problèmes principaux peuvent causer ce bruit. L'un est un condensateur de découplage qui ne fournit pas un courant adéquat, ce qui entraîne temporairement une baisse de la tension au niveau de la broche d'alimentation du circuit intégré. L'autre est un courant intentionnel envoyé entre les plans d'alimentation et de masse à l'aide d'un via avec un signal à commutation rapide.

Vous devez choisir le placement et le nombre de condensateurs de découplage pour une conception basée sur leurs deux fonctionnalités. Souvent, la meilleure approche consiste à répartir les condensateurs sur l'ensemble de la carte - essayez d'en placer près de la masse du circuit intégré et des broches d'alimentation à utiliser. L'utilisation de la valeur de capacité la plus élevée est également recommandée et il est préférable de conserver tous les condensateurs à la même valeur. Vous pouvez également utiliser une combinaison de résistance série équivalente élevée (ESR) et de condensateurs normaux.

Règles de mise à la terre des PCB à retenir

La mise à la terre est une partie essentielle de toute conception de PCB. Toutes les conceptions de PCB doivent suivre certaines pratiques de mise à la terre. Voici quelques conseils à retenir lors de la mise à la terre.

1. Assurez-vous que tout est joint

Assurez-vous que rien dans la disposition de votre circuit imprimé n'est détaché. Il est conseillé de remplir tout espace ouvert avec du cuivre et des vias qui se connectent à votre plaque de terre. Ce faisant, vous vous assurez qu'il existe un chemin structuré qui permet à tous vos signaux d'atteindre le sol efficacement.

2. Gardez votre couche de sol entière

Si vous avez une couche de sol dédiée, comme le font de nombreuses cartes à quatre couches, assurez-vous qu'il n'y a aucune trace de route dessus. La division de votre couche de sol en ajoutant des traces d'itinéraire crée une boucle de courant de terre. Au lieu de cela, assurez-vous que la couche de sol reste entière.

3. Ayez un point commun

Chaque PCB doit avoir un point unique où toutes les masses se rejoignent. Il s'agit souvent de la structure métallique ou du châssis du produit. Il pourrait également s'agir d'une couche dédiée du tableau. Ce point unique est souvent appelé masse en étoile car les différents conducteurs s'étendent à partir de cet emplacement selon un motif qui ressemble quelque peu à une étoile. Dans les applications à signaux mixtes, il peut y avoir des alimentations analogiques et numériques séparées qui ont des masses analogiques et numériques séparées qui se rejoignent au point étoile.

4. Minimiser l'utilisation des vias en série

Il est préférable de minimiser le nombre de vias le long de vos chemins de masse et d'envoyer les masses des composants aussi directement que possible au plan de masse. L'ajout de vias supplémentaires à une carte crée une impédance supplémentaire. Cette considération est particulièrement cruciale pour les courants transitoires rapides qui peuvent faire en sorte qu'un chemin d'impédance devienne un différentiel de tension.

5. Concevoir la mise à la terre avant le routage

Le terrain doit être conçu avant tout routage. Le sol est la base du processus de routage, il est donc crucial de concevoir le sol correctement. Si une mise à la terre est mal conçue, l'ensemble de l'appareil est en danger, alors que ce n'est pas le cas si un signal ne fonctionne pas comme prévu.

6. Comprendre comment circulent vos courants

Comprendre où vont les courants sur une carte peut aider à assurer une bonne mise à la terre. Il est essentiel de considérer où va le signal ainsi que le chemin de retour qu'il prendra. Le chemin d'envoi et de retour d'un signal a le même courant, ce qui peut avoir un impact sur le rebond au sol et la stabilité de l'alimentation.

7. Préparez-vous à la variation dynamique entre les motifs

Dans un système multi-cartes, lors de l'envoi de liaisons de masse entre cartes, il est important de prévoir une variance dynamique. Il est particulièrement critique lorsqu'il s'agit d'applications nécessitant des câbles longue distance. Les isolateurs optiques, les signaux différentiels basse tension et les selfs de mode commun peuvent aider à contrôler la variance.

8. Gardez à l'esprit les considérations relatives aux signaux mixtes

Lorsque vous traitez des signaux analogiques et numériques ensemble, vous devez être prudent dans votre planification. Les parties analogiques de la carte doivent être maintenues isolées, y compris les convertisseurs analogique-numérique (ADC) et les convertisseurs numérique-analogique. Vous pouvez relier la masse d'un ADC à un point de masse commun où vous pouvez transmettre des signaux numériques à d'autres sections du PCB.

Partenariat avec Millennium Circuits Limited pour vos besoins en PCB

Une bonne mise à la terre est une considération cruciale pour tous les PCB. Il y a souvent confusion autour de ce concept, et la mise en œuvre peut être difficile. S'assurer que vous comprenez le flux de courant dans votre conception et utiliser certaines des pratiques et techniques décrites dans cet article peut vous aider.

Un partenariat avec un fournisseur de PCB expérimenté comme Millennium Circuits peut également être utile. Nous pouvons vous aider à vous assurer que vous recevez des PCB qui utilisent les techniques de mise à la terre appropriées pour vos applications. Contactez-nous pour toute question ou pour obtenir de l'aide pour trouver les PCB parfaits pour votre prochain projet. Demandez un devis rapide pour commencer dès aujourd'hui.

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