Principaux pièges de conception PCB expliqués : Analyse complète

Le PCB (circuit imprimé) est un élément central des produits électroniques, utilisé dans presque tous les appareils de différents domaines, du petit au grand, de l'informatique aux télécommunications en passant par le matériel militaire. Simplement, le PCB joue un rôle significatif dans l'implémentation des fonctions des produits électroniques.

Néanmoins, concevoir un circuit n'est jamais facile et de nombreuses associations entre couches, composants ou circuitries doivent être correctement gérées. Une conception mal pensée peut entraîner des défaillances, voire des catastrophes en fonctionnement. Malgré la difficulté inhérente, certains problèmes courants peuvent être résumés pour que les concepteurs en soient conscients à l'avance et apprennent à les gérer avant la phase de fabrication.

NOTE : Cet article discute problèmes et solutions basés sur la participation du logiciel Altium Designer.

Problèmes de conception PCB sur le schéma

Problème #1 : Selon le rapport ERC, il n'y a pas de signal d'accès sur les broches.
Analyse :
a. L'E/S doit être définie sur les broches lors de l'établissement de l'empreinte ;
b. Lors de l'établissement ou placement des composants, l'attribut d'inconformité peut être modifié, laissant broches et pistes déconnectées ;
c. Lors de l'établissement, la broche souffre d'une direction inverse.

Problème #2 : Les composants dépassent la feuille.
Analyse : Les fichiers ne sont pas créés au centre de la feuille de la bibliothèque de composants.

Problème #3 : La netlist du fichier projet ne peut accéder que partiellement au PCB.
Analyse : L'option « global » n'est pas cochée lors de la génération de la netlist.

Problème #4 : Les composants ne peuvent pas être tournés.
Analyse : La méthode de saisie doit être changée.

Problèmes de conception PCB sur le PCB

Problème #1 : Pendant le chargement du réseau, le rapport indique NODE absent.
Analyse :
a. Les composants du schéma utilisent peut-être un boîtier non disponible dans la bibliothèque ;
b. Les composants utilisent des boîtiers incompatibles avec ceux de la bibliothèque.

Problème #2 : Le rapport DRC indique le réseau divisé en plusieurs sections.
Analyse : Ce problème montre que le réseau n'est pas connecté ; COPPER CONNECTÉ peut être utilisé pour parcourir le fichier.

Problème #3 : En opération, l'écran bleu doit être utilisé le moins possible.
Analyse : Les fichiers peuvent être exportés plusieurs fois pour générer un nouveau fichier DDR et réduire la taille. Le routage automatique n'est pas suggéré pour PCB complexes.

Le routage est une étape significative dans la conception PCB et toutes les étapes précédentes en sont les préparations. Il exige le plus de rigueur. Le routage peut être classé en simple face, double face et multi-face. Deux méthodes : auto-routage et routage interactif. Avant l'auto-routage, le routage interactif peut être utilisé pour les systèmes complexes. Les lignes aux bornes d'entrée/sortie doivent éviter d'être parallèles pour éviter les interférences RF. Des lignes de masse doivent être ajoutées si nécessaire et le routage sur deux couches adjacentes doit être perpendiculaire. Les lignes parallèles génèrent du couplage parasite. Le taux de routage auto dépend d'un layout bien pensé et les règles peuvent être définies à l'avance. Généralement, un routage basé sur enquête peut être fait d'abord, puis le chemin optimisé globalement. Les lignes routées seront fermées et le reroutage implémenté pour améliorer l'effet global. Pour les PCB à composants denses, les trous traversants seuls ne suffisent pas avec beaucoup de canaux gaspillés. La technologie de vias borgnes et enterrés a été créée. Non seulement ils fonctionnent comme des trous traversants, mais sauvent aussi de nombreux canaux, rendant le routage plus facile, fluide et meilleur.

Problèmes de conception PCB sur les interférences et leurs solutions

Les interférences surviennent toujours sur les équipements électroniques pendant le débogage et l'application, provenant de nombreuses causes. Parmi elles, le routage irrationnel et le placement incorrect des composants causent le plus d'interférences, hors celles de l'environnement. Les interférences peuvent rendre l'équipement incapable de fonctionner normalement, voire en échec. Elles doivent donc être restreintes en phase de conception.

Problème #1 : Génération et contrôle de l'interférence des lignes de masse.

Analyse et Solutions :

Si les lignes de masse indiquent un potentiel zéro, la différence de potentiel relative de chaque point de masse dans tout le circuit devrait aussi être zéro. Cependant, il est presque impossible d'assurer une différence absolument nulle et une infime différence peut générer des signaux d'interférence affectant le fonctionnement normal après amplification.

Pour restreindre les interférences :
a. Suivre les directives correctes de mise à la masse ;
b. Séparer les masses numériques des masses analogiques ;
c. Épaissir les lignes de masse au maximum ;
d. Recouvrir la masse au maximum.

Problème #2 : Interférence d'alimentation et restriction.

Analyse et Solutions : L'interférence d'alimentation provient peut-être d'une conception schématique irrationnelle, routage ou layout. Donc, la boucle AC-DC ne peut pas être connectée pendant le routage et les lignes de masse ne doivent pas courir en parallèle avec la grande boucle. De plus, les lignes d'alimentation et de signal ne doivent pas être trop proches ni parallèles. Si nécessaire, des filtres peuvent être ajoutés entre la sortie d'alimentation et l'appareil.

Problème #3 : EMI (Interférence Électromagnétique) et sa restriction.

Comme les composants sont densément placés, une conception irrationnelle suscitera l'EMI comme l'interférence de paramètres distribués et l'EMI de composants. Des mesures correspondantes doivent être prises.

Analyse et Solutions :

a. Couplage parasite entre circuits imprimés. L'effet de paramètres distribués entre deux pistes parallèles rapprochées équivaut à une inductance et capacitance en couplage réciproque. Les signaux circulent dans une piste tandis que des signaux inductifs sont générés dans l'autre. Donc, les lignes de signal ne doivent jamais être parallèles pendant la conception PCB ou des lignes de blindage peuvent être utilisées pour retenir les signaux d'interférence faibles.

b. Interférence entre pièces magnétiques. Haut-parleurs et électroaimants produisent un champ magnétique constant ; transformateurs haute tension et relais produisent un champ alternatif. Les deux apportent des interférences aux composants et pistes périphériques. Mesures de restriction selon situations :
• Réduire la coupure des pistes par les lignes de champ magnétique.
• Maintenir les positions de deux pièces magnétiques perpendiculaires selon deux directions magnétiques différentes pour réduire le couplage.
• La source d'interférence doit recevoir un blindage magnétique bien connecté à la masse.

Problème #4 : Interférence thermique et restriction.

Analyse et Solutions : Quand des appareils de haute puissance fonctionnent, ils ont une température élevée créant des sources de chaleur dans le circuit, interférant avec le circuit imprimé. Donc, les composants sensibles à la température doivent être placés loin des pièces génératrices de chaleur pendant le layout et les sources de chaleur placées à l'air extérieur pour empêcher le transfert de chaleur ou la dissipation thermique. Si nécessaire, une feuille de dissipation thermique doit être équipée.

Cet article couvre les problèmes les plus courants en conception PCB et leurs solutions. En fait, d'autres problèmes sont attendus dans votre expérience pratique.

Ressources utiles :
• Comment concevoir des PCB de haute qualité
• Règles clés de conception PCB à connaître
• Guide du schéma à la conception PCB basé sur Altium Designer
• Comment vaincre les interférences en conception PCB
• Méthodes pour renforcer la capacité anti-interférence en conception PCB