Maîtriser la conception PCB haute vitesse : idées reçues courantes et stratégies éprouvées

Pour les systèmes électroniques haute vitesse, le succès de la conception PCB mène directement à la résolution des problèmes de compatibilité électromagnétique (CEM) en théorie et pratique. Pour atteindre les normes CEM, la conception PCB haute vitesse fait face à de grands défis : les concepteurs doivent abandonner la philosophie et approches traditionnelles. Cet article analyse les malentendus et stratégies dans la conception PCB haute vitesse sous l'angle pratique.

Constante diélectrique du matériau PCB haute vitesse

Il existe trois principales techniques de conception PCB haute vitesse : technique de graphe PCB bruit/délai, technique de contrôle impédance/temps de propagation, technique d'évaluation avec impédance PCB comme paramètre – les deux dernières étant le cœur de la fabrication. Il existe aussi de nombreuses techniques sur les lignes de transmission haute vitesse ; structures de base courantes : micro-ruban (microstrip) et ligne ruban (stripline). Pour les lignes de transmission haute vitesse, Z₀ (impédance) et t_pd (délai de propagation) sont les variables les plus importantes. Si la structure micro-ruban diffère de la ligne ruban, la formule de calcul diffère. Mais dans tous les cas, l'impédance est toujours la structure géométrique de la ligne de transmission. Dans la plupart des situations, la constante diélectrique d'une partie du matériau PCB est influencée par la fréquence, le taux d'absorption d'eau, la température et les caractéristiques électriques. Pour PCB 2 couches ou multicouches, la constante diélectrique dépend de la proportion résine/silicium dans le matériau.

Aujourd'hui, le matériau PCB le plus courant est le FR4. Les fournisseurs indiquent les valeurs de constante diélectrique sur lesquelles les techniciens basent leurs projets. En pratique, ces valeurs sont généralement obtenues à 1 MHz, alors qu'en haute vitesse, la constante diélectrique change notablement (Figure 1).

Les trois courbes de la Figure 1 correspondent à différentes proportions silicium/résine. Courbe A = plus haute, B = moyenne, C = plus basse. Si les opérateurs ne remarquent pas la différence, de grands écarts peuvent survenir entre calculs/simulations et réalité sur l'impédance et le délai de propagation, affectant la conception d'intégrité du signal des systèmes haute vitesse.

Problème du coin à 90°

Le coin à 90° doit être évité en routage PCB dans la plupart des documents car il pourrait causer discontinuité d'impédance et rayonnement EMI. Théoriquement, le changement de largeur au coin 90° est comparativement grand, causant grande impédance et discontinuité sérieuse. Pratiquement, la puissance électromagnétique tend à se concentrer au coin du routage ; plus le coin est pointu, plus la concentration est forte. L'EMI devient donc plus saillante au coin 90°.

Mais certains chercheurs trouvent que l'influence du coin 90° sur l'impédance est dans les 10 %. Pour une largeur de routage de 6 mil, si cela devient une longueur clé, ce sera dans la gamme THz. On peut estimer que le coin 90° entraînera définitivement une discontinuité d'impédance en pratique.

Donc, en routage PCB pratique, au moins dans la gamme GHz, il est inutile d'éviter le coin 90° à tout prix.

Principes 20-H

Depuis l'apparition des principes 20-H par KNG, ils sont acceptés comme principe principal pour la conception PCB haute vitesse. Certains chercheurs indiquent qu'ils réduisent la densité électromagnétique ambiante sur les couches concernées d'environ 70 % et réduisent efficacement le rayonnement EMI vers l'extérieur. Cependant, de nombreuses expériences ne confirment pas ces attentes.

Certaines expériences montrent que pour PCB 2 couches, le principe 20-H aggrave le rayonnement ; pour PCB multicouches, son utilisation dans la couche diélectrique interne n'apporte pas d'amélioration évidente.

Paramètres des condensateurs de filtrage

Le condensateur de filtrage est une mesure testée, efficace et économique pour résoudre les problèmes CEM dans les systèmes électroniques. Mais les systèmes haute vitesse imposent de nouvelles exigences à la performance et la conception applicable des condensateurs de filtrage. Le modèle simplifié est montré Figure 2.

Il doit satisfaire : Z_C < Z_S//Z_L (Z_C = 1/2πfC). Un malentendu courant : tant que Z_C < Z_L, le but est atteint. En fait, les paramètres ne peuvent être déterminés que si Z_S et Z_L sont connus.

En circuit haute vitesse, ni Z_S ni Z_L n'est une résistance pure, nécessitant des valeurs complexes. Z_C n'est pas non plus une capacitance pure : résistance série équivalente (ESR) et inductance série équivalente (ESL) doivent être considérées. Toutes ces difficultés, si ignorées, créent des écarts évidents entre calculs/simulations et pratique.

Boîtier silicium (Silicon Packaging)

Les concepteurs PCB portent le plus d'attention sur l'agencement PCB et les interconnexions, ignorant l'importance du boîtier des composants. Cela peut produire de graves conséquences en conception haute vitesse. Le boîtier silicium influence la performance via inductance, résistance et capacitance parasites des lignes de connexion et broches. Ces paramètres génèrent bruit, délai de communication, taux de front, réponse en fréquence. Les paramètres parasites diffèrent beaucoup selon les boîtiers. Pour un même silicium avec différents boîtiers, les performances diffèrent.

En fait, pour système haute vitesse, conception silicium, conception boîtier et conception niveau carte ne sont jamais indépendants. Pour le flux de conception silicium, un boîtier approprié doit être choisi selon le PCB. L'agencement global du silicium est influencé par les techniques et éléments niveau carte. Pour le boîtier silicium, son adaptation au PCB est un élément à considérer. Surtout, un boîtier approprié aide grandement l'intégrité niveau carte et les problèmes CEM/EMI. Le boîtier silicium ne doit jamais être ignoré.

Interférence de rayonnement du courant de mode commun

Dans les pistes de transmission de signal PCB, il existe courant différentiel (signaux utiles) et courant de mode commun (sans information utile), tous deux générant du rayonnement EMI.

De par son courant relativement élevé, le courant différentiel a été mis l'accent par les concepteurs avec formation de théorie et techniques de contrôle de son rayonnement EMI. Certains outils EDA ont fonctions de simulation/prédiction du rayonnement EMI mode différentiel. Cependant, comparé au mode différentiel, le courant de mode commun est bien plus faible, menant facilement à son ignorance par les concepteurs.

Néanmoins, selon recherches récentes, bien que le courant de mode commun soit bien plus petit, le rayonnement EMI qu'il génère est bien plus grand que celui du mode différentiel. Aujourd'hui, le rayonnement EMI mode commun est devenu l'une des principales sources d'interférence sur cartes avancées haute vitesse. Pire, sa génération a des raisons complexes ; ni simulation ni prédiction ne sont possibles. La recherche sur son contrôle est en cours.

Donc, lors de la conception PCB haute vitesse, il est peu fiable de simuler/prédire le rayonnement EMI basé uniquement sur le mode différentiel.

Ressources utiles

• Conseils d'agencement haute vitesse
• Techniques de routage PCB haute vitesse pour réduire l'influence EMI
• Recherche sur conception PCB haute vitesse dans systèmes embarqués
• Traitement différentiel isométrique et vérification par simulation conception PCB haute vitesse
• Comment concevoir des plans d'image pour PCB haute vitesse
• Défis conception PCB haute vitesse sur intégrité signal et solutions
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