Maîtriser les interférences électromagnétiques des PCB : stratégies pour une conception fiable

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

Les problèmes électromagnétiques hantent constamment les concepteurs de PCB. Les ingénieurs en conception système doivent toujours surveiller la compatibilité et les interférences électromagnétiques. Malheureusement, même de petits problèmes de conception peuvent résulter en difficultés électromagnétiques. Ces problèmes sont encore plus courants que jamais, avec les conceptions de cartes qui rétrécissent et les clients exigeant des vitesses plus élevées.

Les deux problèmes principaux 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 IEM (EMI), font référence aux effets indésirables et dommageables de la CEM, ainsi qu'aux interférences électromagnétiques provenant de sources environnementales. Trop d'EMI peut résulter en un produit défectueux ou endommagé. Tout concepteur de PCB devrait suivre les règles de conception CEM pour minimiser la quantité et les effets d'EMI.

Heureusement, une bonne conception CEM peut réduire l'EMI dans les circuits imprimés.

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Pourquoi il est important d'éviter les interférences électromagnétiques

Les sources d'interférences électromagnétiques sont partout autour de nous, et nous pouvons les catégoriser de plusieurs façons :

• Source : L'EMI d'origine humaine provient des circuits électroniques. L'EMI naturelle, d'autre part, peut provenir de facteurs environnementaux comme le bruit cosmique et la foudre.

• Durée : L'interférence continue est une source EMI qui émet un signal constant, apparaissant le plus souvent comme bruit de fond. L'interférence impulsionnelle est intermittente, généralement causée 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 d'oscillateurs et d'émetteurs, bien que ces sources n'affectent que certaines parties du spectre par intermittence. L'interférence à large bande affecte les signaux à haute données comme la TV et peut venir de nombreuses sources, y compris les soudeurs à l'arc et le bruit solaire.

Qu'elle soit d'origine humaine ou environnementale, l'EMI peut être à la fois coûteuse et dangereuse. Elle peut perturber les canaux de communication et les appareils sensibles. L'EMI est une préoccupation notable dans le domaine médical, où l'utilisation d'appareils sans fil est en hausse. Malheureusement, l'EMI peut affecter la fonctionnalité d'équipements médicaux comme les ventilateurs, moniteurs ECG, moniteurs cardiaques et défibrillateurs. Dans d'autres industries, l'EMI peut perturber les capteurs et systèmes de navigation. Le résultat dans tous les cas est une perturbation d'équipements qui peuvent être responsables de la santé et sécurité de leurs utilisateurs.

Cependant, la source la plus commune d'EMI — et la plus problématique pour les concepteurs — est interne. Une mauvaise conception PCB peut résulter en signaux incompatibles interférant les uns avec les autres sur la carte. Cette interférence peut ultimement causer l'échec de la carte. Les concepteurs doivent s'assurer que l'interférence est maintenue au minimum et que tous les signaux émis sont compatibles pour ne pas résulter en interférence.

 

Principes de conception CEM pour prévenir et corriger les problèmes électromagnétiques

Les concepteurs de cartes de circuits doivent suivre les principes de conception de compatibilité électromagnétique pour maintenir l'EMI au minimum. Les causes de base des problèmes CEM sont assez courantes et ont mostly à voir avec des défauts de conception qui causent des interférences parmi les traces, circuits, vias, bobines PCB et autres éléments.

Ces principes de conception essentiels peuvent aider à prévenir et corriger ces problèmes électromagnétiques dans une conception de circuit imprimé.

 

1. Plan de masse

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

• Maximiser la zone de masse : Augmentez la zone de masse autant que possible dans le PCB. Les signaux peuvent se disperser plus facilement avec plus de surface, réduisant les émissions, le crosstalk et le bruit. Si le plan de masse est trop petit, vous pourriez éventuellement ajouter une autre couche et créer un PCB multicouche. Cette solution de conception offre plus d'options pour gérer les traces haute vitesse.

• Utiliser des plans solides : Surtout dans les PCB multicouches, un plan de masse solide est une option idéale. Les plans de masse avec vol de cuivre (copper-thieving) et hachurés résultent généralement en niveaux d'impédance plus élevés. Les plans de masse solides, d'autre part, fournissent des niveaux plus bas.

• Connecter chaque composant : Connectez chaque partie à un plan de masse ou point. Le plan de masse agit comme un agent neutralisant pour la conception de carte, et les composants flottants n'exploitent pas pleinement cela.

• Soyez prudent avec les plans partagés : Les conceptions PCB hautement complexes incluent souvent de nombreuses tensions régulées, qui devraient chacune avoir leurs propres plans de masse. Trop de plans de masse augmente cependant le coût de fabrication. Ce problème est généralement contourné par l'utilisation de plans partagés (split planes), qui créent plusieurs sections de masse sur une seule couche. Cependant, les concepteurs devraient toujours utiliser les plans partagés avec précaution. Assurez-vous d'avoir une bonne raison d'utiliser un plan partagé et, si vous en utilisez un, assurez-vous qu'ils ne sont connectés qu'en un seul point. De multiples connexions de masse dans un PCB à masse partagée peuvent créer des boucles, résultant en une antenne qui rayonne de l'EMI.

• Connecter les condensateurs de dérivation ou de découplage : Si la conception inclut des condensateurs de dérivation ou de découplage, connectez-les au plan de masse. Cet acte aide à réduire le courant de retour en réduisant la taille de la boucle.

• Minimiser la longueur du signal : La longueur des traces est importante car le temps qu'un signal met pour aller et revenir d'une source doit être compatible. Sinon, il peut rayonner de l'EMI. Maintenez les longueurs de trace aussi courtes que possible et à peu près égales en longueur.

 

2. Routage des traces

Les traces sont particulièrement importantes pour la conception de carte. Une utilisation correcte des traces assure une propagation correcte du courant. Cependant, de nombreux problèmes peuvent survenir si les traces ne sont pas arrangées selon les meilleures règles de conception CEM.

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

Quelques-unes des meilleures règles pour le routage des traces dans la conception PCB incluent :

• Éviter les angles droits : Évitez les angles de 45 à 90 degrés pour les vias, traces et autres parties. La capacitance augmente quand les traces atteignent des angles supérieurs à 45 degrés. En résultat, l'impédance caractéristique change, menant à la réflexion. Cette réflexion résulte en EMI. Vous pouvez éviter ce problème en arrondissant les traces qui doivent tourner un coin ou en les routant à travers deux ou plusieurs angles de 45 degrés ou moins.

• Garder les signaux séparés : Gardez les traces haute vitesse séparées des signaux basse vitesse et les signaux analogiques séparés des numériques. La proximité proche peut résulter en interférence.

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

• Surveiller l'espacement : Deux signaux haute vitesse roulant en parallèle créent de l'EMI par crosstalk, où une trace est l'« agresseur » et l'autre la « victime ». L'agresseur influence la trace victime par couplage inductif et capacitif, créant un courant avant et arrière dans la trace victime. Vous pouvez minimiser le crosstalk en gardant un espacement minimum entre traces. Généralement, séparez les traces par deux fois la largeur de trace. Par exemple, si les traces font cinq millièmes de pouce de large, gardez une distance minimum de dix millièmes de pouce ou plus entre deux traces parallèles.

• Utiliser les vias avec précaution : Les vias sont nécessaires dans la conception PCB car ils vous permettent de profiter de plusieurs couches dans vos cartes lors du routage. Cependant, les concepteurs doivent être prudents en les utilisant. Les vias ajoutent leurs propres effets d'inductance et de capacitance au mélange, potentiellement résultant en réflexions dues aux changements d'impédance caractéristique. Les vias augmentent aussi la longueur de trace, qui doit être appariée. Quand possible, évitez d'utiliser des vias pour les traces différentielles. Si c'est impossible, cependant, utilisez-les dans les deux traces pour compenser le délai.

 

3. Disposition des composants

Les composants électroniques sont les blocs de construction d'un circuit électronique. Cependant, les arranger incorrectement peut causer plusieurs problèmes d'EMI. Lors de la conception d'un PCB, soyez attentif à l'impact EMI de chaque pièce. Quelques meilleures pratiques pour le layout de composants dans la conception PCB incluent :

• Séparer les parties analogiques et numériques : Comme pour les traces, séparez toujours les circuits et composants analogiques et numériques. Placer des circuits analogiques et numériques à proximité peut résulter en crosstalk, entre autres problèmes. Pour éviter cela, utilisez le blindage, plusieurs couches et masses séparées pour placer les signaux analogiques et numériques aussi loin que possible l'un de l'autre. Généralement, il est préférable de garder les signaux analogiques et numériques sur des masses séparées.

• Séparer les pièces analogiques et haute vitesse : Les circuits analogiques transportent un courant élevé, ce qui peut causer des problèmes pour les traces haute vitesse et signaux de commutation. Gardez-les éloignés l'un de l'autre et protégez les circuits analogiques avec un signal de masse. Sur les PCB multicouches, routez les traces analogiques de sorte qu'un plan de masse existe entre le circuit analogique et les signaux de commutation ou haute vitesse.

• Soyez prudent avec les composants haute vitesse : Plus le composant est rapide et petit, plus la quantité d'EMI qu'il produit probablement est grande. Vous pouvez combattre cette EMI naturelle par blindage et filtrage, bien qu'il soit aussi judicieux de séparer ces composants des autres dans la conception de carte. Une autre mesure est de garder les signaux haute vitesse et horloges aussi courts que possible et adjacents au plan de masse. Ces mesures aident à maintenir le crosstalk, le bruit et les niveaux de rayonnement en contrôle et dans les limites acceptables.

 

4. Blindage EMI

Certains composants produiront de l'EMI peu importe les règles de conception que vous suivez — surtout les petites pièces haute vitesse. Heureusement, le blindage et le filtrage peuvent maintenir les effets de cette EMI au minimum. Quelques options de blindage et filtrage incluent :

• Blindage composant et carte : Les blindages physiques sont des boîtiers métalliques qui encapsulent tout ou partie d'une carte. Leur but est d'empêcher l'EMI d'entrer dans le circuit de la carte, bien que les méthodes spécifiques varient selon la source de l'EMI. Pour l'EMI qui vient de l'intérieur du système, des blindages de composant peuvent être utilisés pour envelopper un composant spécifique qui produit de l'EMI — se connectant ainsi à la masse, réduisant la taille de la boucle d'antenne et absorbant l'EMI. D'autres blindages peuvent envelopper toute la carte pour protéger contre l'EMI de sources extérieures. Une cage de Faraday, par exemple, est une enceinte protectrice épaisse conçue pour bloquer les ondes RF. Ces dispositifs sont généralement faits de métal ou 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 de câbles : Les câbles qui transportent des courants analogiques et numériques créent la plus grande quantité de problèmes EMI. Ils produisent ces problèmes en produisant une capacitance et inductance parasites — un problème particulier pour les signaux haute fréquence. Heureusement, le blindage de ces câbles et leur connexion à la masse à l'avant et à l'arrière aide à annuler l'interférence EMI.

 

Conception CEM de Millennium Circuits Limited

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

Millennium Circuits Limited, aussi connu sous le nom MCL, est un fournisseur de circuits imprimés leader de l'industrie qui peut créer vos PCB ici aux États-Unis. Notre objectif est de vous donner les meilleurs PCB, expertement conçus et compétitivement tarifés.

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