Conseils éprouvés d'agencement PCB haute vitesse pour des conceptions fiables

La plupart des conceptions PCB commencent avec un schéma correct et vérifié. Le travail difficile de conversion du schéma en PCB final doit alors être entrepris. Souvent, le PCB ne fonctionne pas même si la conception du circuit a été soignée. Même si un schéma a été vérifié par simulation, celle-ci ne prend pas en compte que les spécificités de l'agencement PCB peuvent introduire des sources d'erreur imprévues. C'est particulièrement vrai avec des composants plus récents et plus rapides, avec leurs vitesses d'horloge plus élevées. De plus, les vitesses de transfert de données entre dispositifs augmentent continuellement et sont soumises aux mêmes sources d'erreur. Ces augmentations de vitesse permettent à de petites valeurs de capacitance et d'inductance inhérentes aux agencements PCB de faire échouer l'implémentation PCB d'une conception.

Outre la fonctionnalité, les exigences sur la tolérance au bruit rayonné et la quantité de bruit émis sont cruciales pour l'approbation finale. Ainsi, lors du développement de votre prochaine application PCB incluant signaux haute vitesse, une grande attention doit être portée à l'atténuation des problèmes d'interférence électromagnétique.

Exemples de signaux haute vitesse : signaux d'horloge, ports de communication haute vitesse. Avec quelques règles simples, l'intégrité du signal et les niveaux EMI de votre prochaine conception peuvent être améliorés – pas besoin de modèles mathématiques complexes ni d'outils de simulation coûteux. Cet article présente plusieurs règles simples pour assurer le succès de votre prochaine conception avec signaux haute vitesse.

Contexte

Cette section discute les sources d'erreurs d'agencement haute vitesse et concepts associés ; la suivante donne des règles générales pour les atténuer.

1. Interférence électromagnétique (EMI) et compatibilité électromagnétique (CEM)

L'EMI est un bruit radiofréquence qui interfère avec le fonctionnement d'un dispositif. La CEM désigne la limitation des niveaux d'EMI qu'un dispositif émet. Tous les dispositifs émettent et absorbent un certain degré d'EMI. L'objectif du concepteur PCB doit être de réduire les deux quantités à des niveaux raisonnables. Noter qu'il existe des normes FCC et CISPR pour les niveaux d'EMI autorisés.

2. Signaux d'horloge

Les signaux d'horloge, utilisés pour piloter microprocesseurs et ports de communication, devraient être une onde carrée parfaite, mais ne le sont pas en réalité. Ce sont en fait une combinaison de signaux à la fréquence nominale et aux fréquences harmoniques au-dessus. L'EMI doit donc être considérée à la fréquence de l'horloge et à ses harmoniques.

3. Lignes de transmission

À haute fréquence, les effets de ligne de transmission apparaissent même au niveau PCB. Quand la fréquence d'un signal fait que sa longueur d'onde est de l'ordre de la piste PCB associée, l'impédance caractéristique de la piste doit être considérée pour prévenir les réflexions dues aux inadaptations d'impédance. En général, le concepteur doit adapter l'impédance des pistes associées aux émetteurs-récepteurs qu'elles connectent. L'utilisation de micro-ruban (piste largeur définie sur plan d'alimentation) ou ligne ruban (piste entre deux plans d'alimentation) sont des moyens courants de contrôler l'impédance d'une ligne de transmission au niveau PCB.

Il est aussi courant que les émetteurs-récepteurs aient des entrées haute impédance. Dans ce cas, la piste de connexion doit être terminée de façon à adapter l'impédance caractéristique de la ligne de transmission. Plusieurs techniques de terminaison courantes existent, mais leur recherche est laissée au lecteur, hors sujet de cet article.

4. Diaphonie (Crosstalk)

Quand deux pistes sont adjacentes, elles sont couplées inductivement et capacitivement (diaxophonie) de façon à permettre à l'une de compromettre l'autre. La méthode de base pour éliminer ce bruit est d'écarter les pistes. La diaxophonie peut aussi être atténuée par l'utilisation de plans d'alimentation pour la supprimer.

5. Signaux différentiels

Autre façon de gérer le bruit dans un chemin de communication : signaux différentiels. Ils sont égaux et opposés en potentiel. Deux pistes portent le signal entre dispositifs ; la valeur est déterminée par la différence de potentiel, non le potentiel absolu. Cela rend les signaux différentiels immunisés contre la diaxophonie et efficacement immunisés contre le bruit rayonné.

6. Courant de retour et zones de boucle

En agencement haute fréquence, le chemin de retour du signal doit être considéré. En courant continu, le retour suit le chemin de moindre résistance ; en alternatif, le chemin de moindre impédance. Résultat : le chemin de retour d'un signal haute fréquence sera directement sous la piste. Normalement, ce n'est pas un problème si la piste est routée sur un plan de masse, mais devient problématique si le plan de masse est coupé sous la piste. La rupture du chemin de retour crée une boucle. Les boucles sont à éviter : elles sont de bien meilleurs radiateurs EMI et nuisent à la CEM.

Conseils pratiques de conception

Maintenant que nous avons présenté les sources de bruit haute vitesse, passons aux conseils d'agencement spécifiques.

Avant votre prochaine conception PCB haute vitesse, examinez d'abord les exigences globales. Bonnes questions : Quelle est la fréquence la plus haute du système ? Avez-vous besoin de micro-ruban ou ligne ruban pour la suppression de bruit requise ? Quels sont les signaux sensibles ? Quelles sont les tolérances minimales du fabricant PCB ? Y a-t-il des interconnexions sensibles entre groupes fonctionnels ? Avec ces réponses, une vue générale du stackup et de la composition peut être déterminée.

1. Stackup (Empilement) de la carte

L'une des considérations les plus basiques pour un nouveau circuit est le stackup PCB. Sans signaux sensibles à protéger, un PCB 2 couches standard peut suffire. Si routage en ligne ruban requis, stackup 6 couches nécessaire. Un PCB 4 couches peut être une bonne option intermédiaire.

Autre considération : si les plans d'alimentation sont très proches l'un de l'autre, on réduit le besoin de condensateurs de découplage de faible valeur. Enfin, si sources et puits des signaux haute vitesse sont proches sur le PCB, on élimine une grande partie de l'EMI/CEM liée à ces signaux.

2. Plans d'alimentation et de masse

L'exigence la plus basique pour une conception haute vitesse est l'implémentation d'un plan de masse complet. Un plan d'alimentation complet est aussi très bénéfique, mais nécessite un stackup 4 couches ou plus. Il est aussi bénéfique de placer les pistes de signal très près des plans d'alimentation, ce qui doit guider le stackup final.

Lors de la division de parties d'un plan d'alimentation, rappelez-vous que les signaux haute vitesse ont un courant de retour suivant le chemin de moindre impédance, pas résistance. Veillez à ne pas rompre le chemin de retour entre source et puits. Si vous devez couper un plan de masse, évitez de router des pistes sur cette coupure. Si vous le faites, reconnectez le plan de masse le long de la piste avec une résistance 0 Ω. En résumé : utilisez des plans de masse et d'alimentation aussi uniformes et continus que possible.

3. Sujets additionnels

Les condensateurs de découplage sont importants pour créer des chemins de faible impédance vers masse et alimentation pour signaux haute fréquence. En général, plusieurs valeurs de condensateurs sont nécessaires pour supprimer le bruit haute fréquence sur une gamme de fréquences. Lors du placement, mettre le condensateur de plus faible valeur le plus près du dispositif à protéger, puis valeurs croissantes. S'assurer que le condensateur est placé entre le dispositif et le plan d'alimentation qu'il découple, garantissant que le dispositif est bien découplé.

Autres conseils généraux :

• Arrondir les coins de pistes réduit le rayonnement EMI. Les changements brusques augmentent la capacitance et causent réflexions haute vitesse.
• Pour minimiser la diaxophonie entre pistes, y compris sur différents plans, les faire se croiser à angle droit.
• Éviter les traversées dans les pistes de signal. Elles changent l'impédance caractéristique et causent réflexions. Si traversées nécessaires pour signaux différentiels, les placer dans les deux pistes pour effet égal.
• Considérer le stub créé par les traversées. Envisager vias borgnes/aveugles à la place des traversées conventionnelles.
• Considérer les délais avec solution d'horloge distribuée. Éviter les branches et égaler les longueurs de pistes de l'horloge aux dispositifs connectés. Souvent conseillé d'utiliser un driver d'horloge.

Ressources utiles

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