Surmonter les problèmes électromagnétiques des PCB

Aller à :
Pourquoi il est important d'éviter les interférences électromagnétiques | Principes de conception CEM pour prévenir et résoudre les problèmes électromagnétiques | 1. Plan de masse | 2. Disposition des traces | 3. Disposition des composants | 4. Blindage EMI | Conception CEM de Millennium Circuits Limited |

Les problèmes électromagnétiques affligent constamment les concepteurs de PCB. Les ingénieurs de conception de systèmes doivent toujours surveiller la compatibilité et les interférences électromagnétiques. Malheureusement, même de petits problèmes de conception peuvent entraîner des difficultés électromagnétiques. Ces problèmes sont encore plus fréquents que jamais, les conceptions de cartes se rétrécissant et les clients exigeant des vitesses plus élevées.

Les deux principaux problèmes en jeu sont la compatibilité électromagnétique et les interférences électromagnétiques.

La compatibilité électromagnétique, ou CEM, implique la génération, la propagation et la réception d'énergie électromagnétique, généralement par une mauvaise conception. Les interférences électromagnétiques, ou EMI, font référence aux effets indésirables et dommageables de la CEM, ainsi qu'aux interférences électromagnétiques provenant de sources environnementales. Trop d'EMI peut entraîner un produit défectueux ou endommagé. Tout concepteur de PCB doit suivre les règles de conception CEM pour minimiser la quantité et les effets des EMI.

Heureusement, une conception CEM appropriée peut réduire les EMI dans les cartes de circuits imprimés.

Demander un devis gratuit

Pourquoi il est important d'éviter les interférences électromagnétiques

Les sources d'interférences électromagnétiques sont tout autour de nous et nous pouvons les classer de plusieurs manières :

• Source : Les EMI d'origine humaine proviennent de circuits électroniques. Les interférences électromagnétiques naturelles, en revanche, peuvent provenir de facteurs environnementaux tels que le bruit cosmique et la foudre.

• Durée : L'interférence continue est une source EMI qui émet un signal constant, qui apparaît le plus souvent comme un bruit de fond. Les interférences impulsionnelles sont intermittentes, généralement causées par des systèmes de commutation, la foudre et d'autres sources non constantes.

• Bande passante : Les signaux à bande étroite comme ceux utilisés par la radio peuvent rencontrer des interférences provenant d'oscillateurs et d'émetteurs, bien que ces sources n'affectent que certaines parties du spectre par intermittence. Les interférences à large bande affectent les signaux à haut débit de données comme la télévision et peuvent provenir de nombreuses sources, y compris les soudeurs à l'arc et le bruit solaire.

Qu'elles soient d'origine humaine ou environnementale, les EMI peuvent être à la fois coûteuses et dangereuses. Cela peut perturber les canaux de communication et les appareils sensibles. Les EMI sont une préoccupation notable dans le domaine médical, où l'utilisation des appareils sans fil est en augmentation. Malheureusement, les EMI peuvent affecter la fonctionnalité des équipements médicaux tels que les ventilateurs, les moniteurs ECG, les moniteurs cardiaques et les défibrillateurs. Dans d'autres industries, les EMI peuvent perturber les capteurs et les systèmes de navigation. Il en résulte dans tous les cas un dérèglement des équipements qui peut être responsable de la santé et de la sécurité de ses utilisateurs.

Cependant, la source la plus courante d'EMI - et la source la plus problématique pour les concepteurs - est interne. Une mauvaise conception du circuit imprimé peut entraîner des signaux incompatibles interférant les uns avec les autres sur la carte. Cette interférence peut finalement entraîner la défaillance de la carte. Les concepteurs doivent s'assurer que les interférences sont réduites au minimum et que tous les signaux émis sont compatibles afin de ne pas entraîner d'interférences.

Principes de conception EMC pour prévenir et résoudre les problèmes électromagnétiques

Les concepteurs de cartes de circuits imprimés doivent suivre les principes de conception de la compatibilité électromagnétique pour maintenir les EMI au minimum. Les causes fondamentales des problèmes CEM sont assez courantes et sont principalement liées à des défauts de conception qui provoquent des interférences entre les pistes, les circuits, les vias, les bobines de PCB et d'autres éléments.

Ces principes de conception essentiels peuvent aider à prévenir et à résoudre ces problèmes électromagnétiques dans la conception d'une carte de circuit imprimé.

1. Plan au sol

La conception du plan de masse d'un PCB est l'étape la plus importante, et elle est cruciale pour réduire les EMI. Le plan de masse est votre première ligne de défense contre les EMI puisque tous les circuits nécessitent une masse pour fonctionner. Voici quelques bonnes pratiques courantes pour la conception au sol afin de réduire les EMI :

• Maximiser la surface au sol : Augmentez autant que possible la surface au sol à l'intérieur du PCB. Les signaux peuvent se disperser plus facilement avec plus de surface, réduisant les émissions, la diaphonie et le bruit. Si le plan de masse est trop petit, vous pouvez éventuellement ajouter une autre couche et créer un PCB multicouche. Cette solution de conception offre davantage d'options pour la gestion des traces à grande vitesse.

• Utilisez des plans pleins : Surtout dans les PCB multicouches, un plan de masse solide est une option idéale. Les plans de masse voleurs de cuivre et hachés entraînent généralement des niveaux d'impédance plus élevés. Les plans de masse solides, en revanche, fournissent des niveaux inférieurs.

• Connectez chaque composant : Connectez chaque pièce à un plan de masse ou à un point. Le plan de masse agit comme un agent neutralisant pour la conception de la carte, et les composants flottants ne l'utilisent pas pleinement.

• Soyez prudent avec les plans divisés : Les conceptions de circuits imprimés très complexes incluent souvent de nombreuses tensions régulées, qui doivent chacune avoir leurs propres plans de masse. Trop de plans de masse, cependant, augmente le coût de fabrication. Ce problème est généralement contourné par l'utilisation de plans divisés, qui créent plusieurs sections au sol sur une seule couche. Cependant, les concepteurs doivent toujours utiliser les plans divisés avec précaution. Assurez-vous d'avoir une bonne raison d'utiliser un plan divisé et, si vous en utilisez un, assurez-vous qu'ils ne sont connectés qu'en un seul point. Plusieurs connexions à la terre dans un circuit imprimé à masse séparée peuvent créer des boucles, ce qui entraîne une antenne qui émet des EMI.

• Connectez les condensateurs de dérivation ou de découplage : Si la conception comprend des condensateurs de dérivation ou de découplage, connectez-les au plan de masse. Cet acte permet de diminuer le courant de retour en réduisant la taille de la boucle.

• Réduire la longueur du signal : La longueur des traces est importante car le temps nécessaire à un signal pour aller et venir d'une source doit être compatible. Sinon, il peut émettre des EMI. Gardez les longueurs de trace aussi courtes que possible et de longueur à peu près égale.

2. Mise en page de la trace

Les traces sont particulièrement importantes pour la conception de cartes. Une utilisation correcte de la trace garantit un courant correctement propagé. Cependant, de nombreux problèmes peuvent survenir si les traces ne sont pas organisées selon les principales règles de conception CEM.

Les traces sont essentiellement des chemins conducteurs qui contiennent des électrons en circulation pendant que le circuit est actif. Ainsi, ces traces sont à une erreur de créer une antenne rayonnante. Une simple courbure ou croix peut entraîner des interférences électromagnétiques PCB.

Certaines des meilleures règles pour la disposition des traces dans la conception de PCB incluent :

• Évitez les angles droits : Évitez les angles de 45 degrés à 90 degrés pour les vias, les pistes et les autres pièces. La capacité augmente lorsque les traces atteignent des angles supérieurs à 45 degrés. En conséquence, l'impédance caractéristique change, entraînant une réflexion. Cette réflexion se traduit par des EMI. Vous pouvez éviter ce problème en arrondissant les tracés qui doivent tourner dans un coin ou en les faisant passer par deux angles ou plus de 45 degrés ou moins.

• Gardez les signaux séparés : Séparez les traces à grande vitesse des signaux à faible vitesse et séparez les signaux analogiques des signaux numériques. La proximité peut entraîner des interférences.

• Raccourcir les chemins de retour : Gardez les chemins de courant de retour aussi courts que possible et acheminez-les le long des chemins de moindre résistance. Les chemins de retour doivent être à peu près de la même longueur que les traces de transmission ou plus courts.

• Espacement mental : Deux signaux à grande vitesse fonctionnant en parallèle créent des EMI par diaphonie, dans laquelle une trace est «l'agresseur» et l'autre est la «victime». L'agresseur influence la trace de la victime par couplage inductif et capacitif, créant un courant aller et retour dans la trace de la victime. Vous pouvez minimiser la diaphonie en gardant un espacement minimum entre les traces. Généralement, séparez les traces de deux fois la largeur de la trace. Par exemple, si les traces mesurent cinq millièmes de pouce de large, maintenez une distance minimale de dix millièmes de pouce ou plus entre deux traces parallèles.

• Utilisez les vias avec précaution : Les vias sont nécessaires dans la conception de circuits imprimés car ils vous permettent de tirer parti de plusieurs couches dans vos cartes lors du routage. Cependant, les concepteurs doivent être prudents lors de leur utilisation. Les vias ajoutent leurs propres effets d'inductance et de capacité au mélange, ce qui peut entraîner des réflexions dues aux changements d'impédance caractéristique. Les vias augmentent également la longueur de trace, qui doit être adaptée. Dans la mesure du possible, évitez d'utiliser des vias pour les pistes différentielles. Si cela est impossible, utilisez-les dans les deux traces pour compenser le retard.

3. Disposition des composants

Les composants électroniques sont les éléments constitutifs d'un circuit électronique. Cependant, leur organisation incorrecte peut entraîner plusieurs problèmes d'EMI. Lors de la conception d'un circuit imprimé, tenez compte de l'impact EMI de chaque pièce. Voici quelques bonnes pratiques pour la disposition des composants dans la conception de circuits imprimés :

• Parties analogiques et numériques séparées : Comme pour les traces, séparez toujours les circuits et composants analogiques et numériques. Le fait de placer des circuits analogiques et numériques à proximité peut entraîner une diaphonie, entre autres problèmes. Pour éviter cela, utilisez un blindage, plusieurs couches et des masses séparées pour placer les signaux analogiques et numériques aussi loin que possible les uns des autres. En règle générale, il est préférable de conserver les signaux analogiques et numériques sur des bases distinctes.

• Séparez les pièces analogiques et à grande vitesse : Les circuits analogiques transportent un courant élevé, ce qui peut causer des problèmes pour les traces à grande vitesse et les signaux de commutation. Éloignez-les les uns des autres et protégez les circuits analogiques avec un signal de masse. Sur les PCB multicouches, acheminez les traces analogiques de sorte qu'un plan de masse existe entre le circuit analogique et les signaux de commutation ou à grande vitesse.

• Soyez prudent avec les composants à haute vitesse : Plus le composant est rapide et petit, plus la quantité d'EMI qu'il produit est susceptible d'être importante. Vous pouvez lutter contre ces EMI naturelles grâce au blindage et au filtrage, bien que ce soit également une bonne idée de séparer ces composants des autres dans la conception de la carte. Une autre mesure à prendre est de garder les signaux et les horloges à grande vitesse aussi courts que possible et adjacents au plan de masse. Ces mesures permettent de contrôler les niveaux de diaphonie, de bruit et de rayonnement et dans les limites acceptables.

4. Blindage EMI

Certains composants produiront des EMI quelles que soient les règles de conception que vous suivez, en particulier les petites pièces à grande vitesse. Heureusement, le blindage et le filtrage peuvent réduire au minimum les effets de ces EMI. Certaines options de blindage et de filtrage incluent les éléments suivants :

• Blindage des composants et de la carte : Les blindages physiques sont des boîtiers métalliques qui encapsulent tout ou partie d'une carte. Leur objectif est d'empêcher les EMI d'entrer dans les circuits de la carte, bien que les méthodes spécifiques varient en fonction de la source des EMI. Pour les EMI provenant de l'intérieur du système, des blindages de composants peuvent être utilisés pour envelopper un composant spécifique qui produit des EMI, se connectant ainsi à la terre, réduisant la taille de la boucle d'antenne et absorbant les EMI. D'autres blindages peuvent recouvrir toute la carte pour la protéger contre les EMI provenant de sources extérieures. Une cage de Faraday, par exemple, est une enceinte de protection épaisse conçue pour bloquer les ondes RF. Ces appareils sont généralement en métal ou en mousse conductrice.

• Filtrage passe-bas : Parfois, un PCB peut inclure des filtres passe-bas pour éliminer le bruit haute fréquence des composants. Ces filtres suppriment le bruit de ces pièces, permettant au courant de continuer sur le chemin de retour sans interférence.

• Blindage du câble : Les câbles qui transportent des courants analogiques et numériques créent le plus grand nombre de problèmes d'EMI. Ils produisent ces problèmes en produisant une capacité et une inductance parasites - un problème particulier pour les signaux haute fréquence. Heureusement, le blindage de ces câbles et leur mise à la terre à l'avant et à l'arrière permet d'annuler les interférences EMI.

Conception EMC de Millennium Circuits Limited

À mesure que la technologie progresse et que les problèmes d'interférences électromagnétiques augmentent, votre entreprise doit investir dans des ressources pour se préparer à l'avenir. Les problèmes électromagnétiques deviendront plus avancés, et rester au courant des meilleures pratiques les plus récentes est le meilleur moyen d'éviter ces problèmes et de préparer votre entreprise au succès futur. Une partie de cela devrait impliquer un partenariat avec un fournisseur de cartes de circuits imprimés de qualité. Votre fournisseur préparera votre entreprise à gérer tout projet de PCB qui se présentera à vous. Millennium Circuits Limited peut vous aider à y arriver.

Millennium Circuits Limited, également connu sous le nom de MCL, est un fournisseur de cartes de circuits imprimés de premier plan qui peut créer vos PCB ici aux États-Unis. Notre objectif est de vous offrir les meilleurs PCB conçus par des experts et à des prix compétitifs.

Nous pouvons fournir une fabrication offshore pour vous aider à améliorer vos coûts et à maintenir votre budget. Si vous avez besoin d'un type de carte unique, nos professionnels compétents peuvent réaliser à peu près n'importe quel type de carte de circuit imprimé auquel vous pouvez penser, des cartes flexibles et en céramique aux cartes numériques à grande vitesse et plus encore. Nous pouvons vous aider à trouver les finitions de surface, les vias et les fonctionnalités appropriés pour obtenir la carte que vous souhaitez avec la qualité que vous méritez.

Laissez-nous vous aider à réaliser vos rêves de projet. Contactez-nous dès aujourd'hui pour un devis gratuit.

Demander un devis gratuit

un