Maîtriser la mise à la terre PCB : Techniques essentielles pour une conception de circuit fiable

Sommaire :

• Qu'est-ce qu'une masse ?
• Terminologie de mise à la terre
• Techniques de mise à la terre PCB
• Ce qu'il faut retenir lors de la mise à la terre
• S'assurer que tout est connecté
• Garder votre couche de masse intacte
• Minimiser l'utilisation de vias en série
• Avoir un point de masse commun

La mise à la terre est un concept critique pour tout circuit électronique et tout système traitant un courant électrique. Tout, du réseau électrique à une maison en passant par un circuit imprimé (PCB), a une masse. Les PCB sont critiques pour le fonctionnement de presque toute l'électronique, et chaque PCB a besoin d'une mise à la terre appropriée pour fonctionner correctement.

On utilise le terme masse 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 qu'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 un 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. La masse est la référence contre laquelle vous basez le signal.

Dans l'électronique, la masse est le nom donné à un certain point dans le 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 positive, négative et masse. Dans ces cas, la masse est le point milieu entre les bornes négative et positive mesuré en tension. Si la tension est de neuf, le plan de masse serait de 4,5 volts. Vous appelleriez cependant la masse zéro, la borne positive 4,5 volts et la borne négative -4,5 volts. Vous pouvez faire cela car la tension est une mesure entre deux points, et il y a encore une différence de neuf entre 4,5 et -4,5.

L'utilisation incorrecte des techniques de mise à la terre peut réduire dramatiquement la performance d'un système. Vous devez gérer divers aspects de la mise à la terre, y compris le contrôle des tensions de retour de signal et de masse parasites, qui peuvent dégrader la performance. Le couplage de signal externe, les courants communs et d'autres problèmes peuvent causer ces tensions. Le routage et le dimensionnement corrects des conducteurs, l'emploi de la gestion de signaux différentiels et l'utilisation de techniques d'isolement de masse aident à contrôler ces tensions indésirables.

Il y a aussi des considérations spéciales quand on travaille dans un environnement analogique et numérique à signaux mixtes. La mise à la terre peut aider à minimiser le bruit quand on travaille avec des signaux qui ont une large plage dynamique.

Terminologie de mise à la terre

Il y a divers types de nœuds qu'on appelle masses, incluant les masses flottantes, masses virtuelles et masses de terre.

• Masses flottantes : Ces nœuds sont des points de référence dans un système isolé et ne sont pas physiquement connectés à la terre.
• Masses virtuelles : Ces nœuds peuvent être trouvés dans un circuit à rétroaction négative à la borne d'inversion d'un amplificateur opérationnel. Quand l'entrée non-inverseuse est à zéro volt, la rétroaction fera correspondre la borne d'inversion dans un circuit stable. La valeur n'est pas un retour stable pour d'autres circuits et n'est maintenue que par la rétroaction.
• Masses CA : Ces nœuds ont des valeurs CC à faible impédance. Cette tension CC est stable même quand elle est exposée à de petites perturbations. En raison de sa valeur CC, ce nœud ne peut pas être utilisé comme une masse propre, mais parce qu'il est stable, il peut être utilisé comme point de référence.
• Masses de terre : Dans un grand système électrique, la masse de la terre est littéralement une connexion au sol. Chaque maison, par exemple, a un poteau en cuivre qui est planté dans la terre pour évacuer les courants excédentaires.
• Masses de châssis : L'électronique dans un PCB ne peut pas se connecter au sol physique, mais une masse de châssis sert le même but. Cette masse est la connexion d'un fil de sécurité du secteur CA au boîtier ou châssis du produit.

Parce qu'une masse de terre et une masse de châssis servent la même fonction, ces termes sont souvent utilisés de manière interchangeable avec le terme masse de sécurité.

Quand il s'agit de mettre à la terre un PCB, il n'y a pas d'approche universelle. Pour déterminer la meilleure façon de mettre à la terre un système, vous devez comprendre la façon dont les courants à l'intérieur de celui-ci circulent. Il y a, cependant, diverses méthodes parmi lesquelles choisir et certains conseils pour les meilleures pratiques de mise à la terre qui s'appliquent à la majorité des systèmes. Pour déterminer l'approche qui fonctionne pour votre circuit, vous devrez vous assurer de comprendre la conception du circuit et pourriez avoir besoin d'essayer plusieurs techniques.

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Techniques de mise à la terre PCB

Il y a diverses techniques qu'on peut utiliser pour mettre à la terre un PCB. Les suivantes sont quelques-unes des approches les plus courantes utilisées aujourd'hui.

1. Plan de masse

Une technique courante est d'utiliser un plan de masse, qui est un grand morceau de cuivre sur un PCB. Typiquement, les fabricants PCB couvriront toutes les zones qui n'ont pas de composant ou de piste dessus avec le plan de masse en cuivre.

Dans un circuit à deux couches, les règles standard de plan de masse PCB indiquent que le plan de masse devrait être placé sur la couche inférieure du circuit, tandis que les composants et pistes 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 une inductance, et un champ magnétique externe peut causer un courant électrique appelé boucle de masse. Vous pourriez finir avec un anneau conducteur si vous placez le plan de masse sur toute la couche inférieure et enlevez ensuite les parties qui ont des composants électroniques. Pour éviter ce problème, faites les pistes aussi courtes que possible, et après les avoir mappées, placez votre plan de masse pour qu'il coure entièrement en dessous. Vous pourriez avoir besoin d'ajuster la disposition des pistes et composants pour éviter d'avoir à créer des anneaux conducteurs.

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

Sur un PCB à deux couches, vous pouvez aussi utiliser plus d'un plan de masse. Chaque plan devrait se connecter à l'alimentation individuellement pour garder les plans séparés et prévenir les boucles de masse.

2. Vias de plan de masse

S'il y a des plans de masse des deux côtés du PCB, ils seront connectés à travers des vias à de nombreux endroits différents sur le circuit. Ces vias sont des trous qui traversent le circuit et connectent les deux côtés l'un à l'autre. Ils vous permettent d'accéder au plan de masse de n'importe où vous pouvez y insérer 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 faible impédance à tous les autres points de masse du circuit. Ils aident aussi à garder la longueur des boucles de retour courtes.

Des morceaux de cuivre, tels que les plans de masse, peuvent résonner au quart de la longueur d'onde de la fréquence du courant qui y entre. Mettre des vias de couture autour du plan de masse à des intervalles spécifiques peut aider à contrôler cela. Une règle pratique est de placer les vias de masse à un huitième de longueur d'onde ou moins. Cela fonctionne parce qu'un bout sur une piste ne commence à devenir un problème qu'à un huitième de longueur d'onde.

Pour créer des vias, vous percez de petits trous à travers le circuit et passez de fins fils de cuivre à travers avant de les souder de chaque côté pour former les connexions nécessaires.

3. Masses de connecteurs

Tous les connecteurs dans un PCB devraient être connectés à la masse. Dans les connecteurs, tous les conducteurs de signal doivent courir en parallèle. À cause de cela, vous devez séparer les connecteurs en utilisant des broches de masse.

Chaque circuit aura probablement besoin de plus d'une broche de connecteur menant à la masse. Avoir juste une broche peut causer des problèmes de désadaptation d'impédance, qui peuvent causer 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 la performance du système et le faire ne pas 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 masse. Environ 30 à 40 pour cent des broches dans un connecteur PCB devraient être des broches de masse.

Les connecteurs viennent dans divers pas et peuvent avoir différents nombres de rangées de broches. Les broches d'un connecteur peuvent aussi être parallèles à la surface du PCB ou à angle droit par rapport à elle.

4. Découplage

Les PCB contiennent une ou plusieurs puces de circuit intégré, qui nécessitent de l'alimentation pour fonctionner. Ces puces ont des broches d'alimentation pour les connecter à une source d'alimentation externe. Elles ont aussi 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 dans 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 agir comme un dispositif de stockage de charge. Quand le circuit intégré (CI) nécessite du courant additionnel, le condensateur de découplage peut le fournir par un chemin à faible inductance. À cause de cela, il est préférable de placer les condensateurs de découplage près des broches d'alimentation du CI.

Un autre but principal est de réduire le bruit mis dans les paires de plans d'alimentation et de masse et réduire les EMI. Deux problèmes principaux peuvent causer ce bruit. L'un est un condensateur de découplage qui ne fournit pas un courant adéquat résultant en l'abaissement temporaire de la tension à la broche d'alimentation du CI. L'autre est un courant intentionnel envoyé entre les plans d'alimentation et de masse en utilisant un via avec un signal de commutation rapide.

Vous devriez choisir le placement et le nombre de condensateurs de découplage pour une conception basée sur leurs deux fonctionnalités. Souvent, distribuer les condensateurs à travers tout le circuit est la meilleure approche — essayez d'en placer près des broches de masse et d'alimentation du CI pour les utiliser. L'utilisation de la plus haute valeur de capacitance est aussi recommandée, et il est préférable de garder tous les condensateurs à la même valeur. Vous pourriez aussi vouloir utiliser une combinaison de condensateurs à résistance série équivalente (ESR) haute et normaux.

Règles de mise à la terre PCB à retenir

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

1. S'assurer que tout est connecté

Assurez-vous que rien dans votre disposition PCB n'est non connecté. Il est conseillé de remplir tout espace ouvert avec du cuivre et des vias qui se connectent à votre plan de masse. Ce faisant, vous assurez qu'il y a un chemin structuré qui permet à tous vos signaux d'atteindre la masse efficacement.

2. Garder votre couche de masse intacte

Si vous avez une couche de masse dédiée, comme beaucoup de circuits à quatre couches, assurez-vous qu'il n'y a pas de pistes de routage dessus. Diviser votre couche de masse en ajoutant des pistes de routage crée une boucle de courant de masse. Au lieu de cela, assurez-vous que la couche de masse reste intacte.

3. Avoir un point de masse commun

Chaque PCB devrait avoir un point unique où toutes les masses se rejoignent. Souvent, c'est le cadre métallique ou le châssis du produit. Cela pourrait aussi être une couche dédiée du circuit. Ce point unique est souvent appelé une masse en étoile parce que les divers conducteurs s'étendent de cet emplacement dans 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 rencontrent au point étoile.

4. Minimiser l'utilisation de vias en série

Il est préférable de minimiser le nombre de vias le long de vos chemins de masse et d'envoyer les masses de composants aussi directement que possible au plan de masse. L'ajout de vias additionnels à un circuit crée une impédance supplémentaire. Cette considération est particulièrement cruciale pour les courants transitoires rapides qui peuvent causer un chemin d'impédance à devenir une différentielle de tension.

5. Concevoir la mise à la terre avant le routage

La masse devrait être conçue avant tout routage. La masse est la fondation pour le processus de routage, donc il est crucial de concevoir la masse correctement. Si une masse est mal conçue, l'appareil entier est en danger, ce qui n'est pas le cas si un signal ne fonctionne pas comme prévu.

6. Comprendre comment vos courants circulent

Comprendre où les courants vont sur un circuit peut aider à assurer une mise à la terre appropriée. Il est essentiel de considérer où le signal va ainsi que le chemin de retour qu'il prendra. L'envoi et le chemin de retour d'un signal ont le même courant, et cela peut impacter le rebond de masse et la stabilité de l'alimentation.

7. Préparer la variance dynamique entre masses

Dans un système multi-circuits, lors de l'envoi de connexions de masse entre circuits, il est important de planifier une variance dynamique. C'est particulièrement critique quand on traite des applications qui nécessitent des câbles longue distance. Les isolateurs optiques, les signaux différentiels à basse tension et les selfs à mode commun peuvent aider à garder la variance sous contrôle.

8. Garder les considérations signaux mixtes à l'esprit

Quand on traite des signaux analogiques et numériques ensemble, il faut être prudent dans la planification. Les parties analogiques du circuit devraient être gardées isolées, y compris les convertisseurs analogique-numérique (CAN) et numérique-analogique. Vous pouvez relier la masse d'un CAN vers un point de masse commun où vous pouvez passer des signaux numériques à d'autres sections du PCB.

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

S'associer à un fournisseur PCB expérimenté comme Millennium Circuits peut aider aussi. Nous pouvons aider à garantir 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 de l'aide à trouver les PCB parfaits pour votre prochain projet. Demandez un devis rapide pour commencer aujourd'hui.

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