Influence de la disposition des circuits imprimés sur les performances CEM des produits électroniques

Mise à la terre dans PCB

• Influence des interférences de code commun sur le signal interne du circuit imprimé

Les lignes imprimées internes de la carte de circuit imprimé (PCB) présentent des paramètres parasites par rapport à la carte de masse de référence et lorsque des signaux de fonction sont transmis à l'intérieur de la carte PCB, le même nœud équipotentiel dans le même réseau dans le circuit n'est plus équipotentiel. Le courant i à l'intérieur du PCB commence à partir de l'extrémité de la source, passe une série de retours de porteuses à la source du signal, formant un signal. De plus, i a tendance à circuler le long du chemin avec une faible impédance, de sorte que je reste généralement immuable avec la stabilité de l'impédance.

La figure 1 indique le processus lorsque l'interférence en mode commun est transformée en interférence en mode différentiel à l'intérieur du PCB. je_d fait référence au courant en mode différentiel à l'intérieur du flux de PCB tandis que i_com fait référence au courant de mode commun qui part de l'extérieur du PCB et s'écoule dans le PCB via la carte de terre de référence ou démarre de l'intérieur du PCB et retourne à l'intérieur du PCB via la carte de terre de référence. I_com haute fréquence a deux chemins :le premier va du point A au point B à l'intérieur du PCB à partir de GND; le second va du point A au point B à partir du port S₁ au PCB à l'intérieur par la capacité C. Impédance de masse Z_AB conduit à la génération de Δu_AB , donc lorsque le signal normal est transmis à IC₂ , une déformation aura lieu pour signaler et l'interférence de mode commun est transformée en interférence de mode différentiel, ce qui produit une influence sur le signal normal basé sur la formule qui est u₂ =u₁ -Δu_AB .

Par conséquent, dès que je_com pénètre à l'intérieur du circuit imprimé via le port d'E / S ou le rayonnement spatial, la capacité du filtre en mode différentiel sur les lignes de signal du circuit imprimé ne peut appuyer que sur le contournement des interférences vers GND. La condition préalable à ce résultat est que GND soit considéré comme une faible impédance pour le retour du signal et que le courant circule toujours dans la direction de la faible impédance.

• Clé de la mise en œuvre de la conception CEM :impédance de terre dans le circuit imprimé

La raison de la génération d'EMC par des signaux haute fréquence réside dans le fait que le niveau de référence du signal GND ne parvient pas à conserver sa caractéristique de faible impédance. Avec l'augmentation de l'impédance Z_GND du niveau de référence, la qualité de la transmission du signal diminue également. Afin de résoudre le problème des interférences à haute fréquence, des méthodes courantes sont utilisées dans la conception CEM, telles que le filtre, la terre et le blindage qui sont étroitement connectés à la "terre".

Le filtre peut être considéré comme un condensateur à la terre, avec deux structures dont l'une consiste à connecter le condensateur X à la masse de référence du signal et l'autre à connecter le signal à la coque métallique par un condensateur Y ou une connexion à la terre différente à l'intérieur du PCB. Le blindage peut être considéré comme le résultat de l'expansion de la terre du circuit imprimé dans l'espace. Le but du filtre ou du blindage est de faire passer les interférences de mode commun à haute fréquence par la dérivation avec une faible impédance afin d'éviter de s'écouler dans le signal de fonctionnement normal. De même, toutes ces méthodes ne fonctionneront que si le sol a une faible impédance.

La figure 2 indique l'effet de l'impédance de masse sur le filtre du circuit. je_com flux selon la séquence de IC₁ →IC₂ →IC₁ et quand il coule vers le point P, i_com circulera dans les circuits de dérivation de IC₁ et C₁ à travers lequel il circule du point A au point B. Si l'impédance entre les points A et B, c'est-à-dire Z_AB , est bien inférieure à l'impédance entre le point P et IC₁ . En ce moment, je_com s'écoule du point P vers A, IC₁ filtre peut être réalisé. Quand je_com flux vers le point B, des circuits de dérivation se produiront qui sont B → C et B → Q. Si la disposition du circuit imprimé n'est pas bien contrôlée, l'impédance entre les points B et C, c'est-à-dire Z_BC , Z_BC>>Z_C2 +Z_Q . Z_Q fait référence à l'impédance entre le point Q et IC₂ . je_com reflue vers IC₂ port d'entrée via C₂ lorsque la capacité qui était à l'origine utilisée uniquement pour IC₂ joue un rôle dans l'interférence d'invasion de signal.

Afin de créer un niveau de référence à faible impédance, il est généralement conçu pour être une surface. D'une manière générale, un conducteur dont le rapport longueur-largeur est inférieur à 5 peut être considéré comme une faible impédance dans le domaine de l'ingénierie. L'impédance des lignes imprimées n'est pas déterminée par son degré de longueur ou d'épaisseur. Dans les principes de conception traditionnels des circuits imprimés, la mise à la terre à point unique du circuit analogique est massivement recommandée, de sorte que le principe de disposition du circuit imprimé de la mise à la terre à plusieurs points du circuit numérique et la mise à la terre du mélange de circuits de modules numériques ne sont plus utilisables pour traiter les problèmes de CEM.

Étant donné que tous les retours de tous les signaux doivent être assurés pour disposer d'une masse intégrée à faible impédance, les cartes à 4 couches ou multicouches avec plan de masse intégré sont capables de répondre à l'exigence, contrairement aux cartes simples à faible coût. Lorsqu'une carte à double couche doit être utilisée en raison de la limitation des coûts, un plan de masse relativement intégré doit être conçu pour les signaux à l'intérieur du PCB. Dans l'application pratique, l'impédance de masse du PCB est influencée à la fois par sa forme et par le fil de signal à travers les trous, les fissures et les fentes. Les figures 3a et 3b affichent respectivement une mauvaise et une excellente conception de plan de masse à faible impédance.

Dans cette figure, tous les composants sont à l'avant du PCB tandis que le plan de masse est à l'arrière. Les puces sont connectées par des lignes imprimées ab à l'avant et cd sont des lignes imprimées à l'arrière. Sous la pression des interférences de mode commun à haute fréquence par l'extérieur, les fentes formées par cd conduiront à l'augmentation de Z_GND de retour de lignes imprimées. Z_GND fluctue dans le processus de transmission du signal, entraînant une faible qualité du signal. Par conséquent, les couches de lignes imprimées entre cd peuvent être échangées maintes et maintes fois à travers des trous dans le processus de conception de la disposition du PCB afin que Z_GND sera diminué. De plus, deux IC_S avec des signaux sensibles peuvent être agencés ensemble de manière à faire de GND un plan de masse relativement intégré localement pour garantir que le signal ne sera pas interféré dans le processus de transmission du signal. Faites attention que les trous traversants ne peuvent pas être arrangés avec beaucoup de densité, sinon une fissure sur le plan de masse sera également causée, conduisant à l'escalade de Z_GND .

Conception d'empilement de PCB

La conception CEM est la meilleure pour les PCB à 4 couches. Du point de vue de l'EMS, la coque métallique ou la coque métallique blindée des circuits localement sensibles est capable de résoudre les problèmes d'interférence. Du point de vue de l'EMI, parfois les cartes à 4 couches ne répondent pas à l'exigence de limitation des émissions de rayonnement et le nombre de couches doit être augmenté car les cartes multicouches peuvent émettre des signaux avec un d_u élevé /d_t et d_i /d_t assurer une plus petite zone de boucle de signal dans le processus de transmission, fournissant un reflux avec une faible impédance pour les signaux à grande vitesse.

Le principe de base de la conception d'empilement de PCB consiste à disposer une couche de signal à grande vitesse et un plan d'alimentation adjacents au plan de masse. La figure 4 montre la conception d'empilement de cartes à 4 et 6 couches. S₁ dans la figure 4a se réfère à la couche de signal à grande vitesse tandis que les figures 4b, 4c et 4d sont trois conceptions de PCB ordinaires à 6 couches.

Parmi les 3 conceptions de PCB à 6 couches, la conception b est la pire et S₂ la couche doit être une couche de signal à grande vitesse. S₂ la couche dans la conception c et d est une couche de signal à grande vitesse. La conception c est la meilleure car chaque couche de signal est étroitement adjacente au plan de masse afin d'assurer le chemin de retour de signal le plus court et S₂ et les couches P sont blindées par GND₁ et GND₂ . Par rapport à la conception c, S₃ dans la conception d est loin de la couche GND et P ne peut atteindre que l'effet simple face au lieu de l'effet double face causé par la conception c.

Antenne équivalente dans les PCB

La fonction fondamentale de l'antenne est de rayonner et de recevoir des ondes radio sans fil. Dans le processus de rayonnement, le courant à haute fréquence peut être transformé en onde électromagnétique ; dans le processus de réception, l'onde électromagnétique est transformée en courant haute fréquence. Le rayonnement dans le champ CEM se réfère principalement au rayonnement de champ lointain. La formation de l'antenne dépend de deux conditions de base :la source du signal RF et une certaine longueur de conducteurs connectés à la source du signal RF. Dans le domaine de l'ingénierie, on pense que l'effet d'antenne apparaîtra lorsque la longueur du conducteur conformément à la formule qui est l =λ/20. Lorsque l=(λ/4)n, l'effet d'antenne est le plus grand avec n comme entier naturel.

Lorsque le signal est transmis à l'intérieur du PCB, la boucle interne a le même effet avec l'antenne en boucle. Plus la zone de boucle est grande, plus l'effet d'antenne sera important. Un contrôle strict de la boucle PCB peut arrêter efficacement les interférences en mode différentiel, ce qui est réalisable dans la pratique. Cependant, l'augmentation de la longueur des lignes imprimées entraînera un effet d'antenne tige évident, de sorte que la longueur des signaux d'interconnexion doit être réduite autant que possible dans le processus de mise en page du PCB.

Lorsque Z_GND relativement élevé a lieu sur le chemin de retour des signaux du/dt élevés transmis à l'intérieur du PCB, source de pilote en mode commun u_com aura lieu avec i_com passant devant Z_GND , ainsi que des lignes imprimées connectées ou des écuries d'E/S, qui peuvent rayonner vers l'extérieur.

Si les PCB sont de taille relativement petite, les lignes imprimées intérieures ne peuvent pas atteindre les exigences de rayonnement de l'antenne en raison de la limitation de la longueur. Dans cette condition, le câble d'E/S peut être considéré comme l'expansion des lignes imprimées, les exigences de rayonnement peuvent être satisfaites. Même s'il n'existe aucune connexion directe à l'E/S stable, le couplage diaphonique doit être arrêté entre les câbles d'E/S.

La diaphonie à l'intérieur du PCB et ses solutions

• Couplage entre les lignes imprimées PCB et la masse de référence

Étant donné que EMC traite principalement des signaux de mode commun haute fréquence, les paramètres de distribution ne peuvent être évités ni à l'intérieur ni à l'extérieur du PCB. Le couplage capacitif se produit entre le PCB et la masse de référence dont la capacité distribuée est composée d'une capacité de plaque et d'une capacité naturelle dans le plus petit espace. La capacité de la plaque est directement proportionnelle à la taille du PCB et indirectement proportionnelle à la distance entre le PCB et la terre. La capacité naturelle dans le plus petit espace est directement proportionnelle au diamètre équivalent des lignes imprimées à l'intérieur du PCB. Par conséquent, peu importe où le PCB est placé, même loin du sol à l'infini, une capacité distribuée existe toujours entre les lignes imprimées intérieures et le sol. Dans un PCB, la capacité distribuée d'un plan GND relativement intégré à la carte de masse de référence est d'environ 10pF et la capacité distribuée des lignes imprimées intérieures à la carte de masse de référence est approximativement comprise entre 0,001pF et 0,1pF ou moins. La capacité distribuée des lignes imprimées au centre du PCB est bien inférieure à celle des lignes imprimées au bord du PCB.

• Couplage à l'intérieur du PCB

un. Théorie du couplage à l'intérieur du PCB et son influence sur le signal

Le couplage à l'intérieur du PCB consiste en un couplage capacitif et un couplage inductif dont la théorie est illustrée à la figure 5.

Dans cette figure, AB et CD sont des lignes imprimées parallèles avec un petit espace entre deux lignes. Z₀ fait référence à la porteuse de la ligne de signal 1 tandis que Z₁ et Z₂ se référer respectivement aux porteuses de la ligne de signal 2. Dans la figure 5a, lorsque la tension de crête du signal sur la ligne imprimée AB est u, le temps de montée du signal est Δt et la fréquence angulaire est ω, la tension de Z₂ sera u_v =[Z₁ Z₂ /(Z₁ +Z₂ )]cΔu/Δt. Bien que _c a une valeur très faible, la valeur de Δu/dt peut être très élevée et leur produit ne peut être évité. Dans la figure 5b, lorsque le courant de crête du signal sur AB est I_c , le temps de montée du signal est Δt et la fréquence angulaire est ω, l'inductance mutuelle m entre 2 lignes imprimées passera par CD sur lequel la tension d'induction est u_v =mωi_c . Bien que la valeur de m soit si petite, la fréquence du signal peut être augmentée. Par conséquent, leur produit ne peut être évité.

En conséquence, le couplage capacitif et le couplage inductif sont liés au paramètre distribué c ou m de deux lignes imprimées. Lors de la mise en page du PCB, les valeurs de c et m peuvent être réduites en augmentant la distance entre les lignes parallèles. Dans un circuit pratique, le couplage capacitif représente la majeure partie du circuit numérique et lorsque le plan du circuit imprimé n'est pas lisse ou qu'il existe des fentes ou des fissures, la diaphonie inductive aura plus d'influence que la diaphonie capacitive. Cependant, lorsque la zone de PCB est limitée, la diaphonie ne peut pas être traitée uniquement en élargissant la distance entre les lignes parallèles. Afin de maintenir les plus petits paramètres distribués entre deux lignes parallèles adjacentes, la conception de plans intégrés doit être disposée dans la zone projective et il est préférable d'avoir des couches de sol en haut et en bas.

b. Influence du fil de terre du blindage pour réduire la diaphonie

Le degré de diaphonie est déterminé par de nombreux éléments tels que la fréquence du signal, le temps de front montant du signal, la distance entre les lignes de signal, le port de commande et les caractéristiques électriques du port de réception et le nombre de couches de PCB. La diaphonie peut être réduite en définissant un plan de masse intégré sous les lignes imprimées et un fil de masse blindé peut être ajouté entre les signaux.

Dans le processus de mise en page du PCB, deux aspects peuvent être bénéfiques pour arrêter la diaphonie. Tout d'abord, le circuit interne sensible et le circuit externe doivent être arrêtés. Deuxièmement, la diaphonie entre le circuit interne ou le circuit de bruit et les autres signaux doit être arrêtée. Dans la disposition pratique du circuit imprimé, un test détaillé doit être effectué dans la même couche ou entre différentes couches du circuit imprimé pour détecter si un risque de diaphonie existe ou non.

Au cours de la procédure de mise en page du PCB, certaines lignes de signal avec le même attribut doivent suivre le routage du même temps et de la même direction avec densité. Si la limitation de l'espace PCB conduit au fait que les composants du filtre ne peuvent pas être placés sur la même ligne, la diaphonie entre les signaux a tendance à être suscitée. Cette situation est indiquée dans la figure 6 ci-dessous.

c. Influence du fil de terre du blindage sur l'effet de bord

Lorsque des lignes de signal très sensibles ou des lignes de signal avec un du/dt élevé, di/dt sont disposées le long du bord du PCB, elles subiront plus de risques CEM que celles disposées au centre du PCB. Il est plus facile pour les lignes de signal de bord de recevoir des interférences à haute fréquence ou un rayonnement externe grâce à une capacité parasite plus grande.

Sous la limitation de la zone du PCB, il est extrêmement difficile de disposer le PCB selon les principes 20H dans le fichier de conception. "Packet" peut être utilisé pour réduire les interférences et le rayonnement externe. Les lignes de paquets n'ont pas besoin de répondre à des exigences spécifiques telles que l'épaisseur et la forme. Habituellement, lorsqu'une ligne de signal est trop proche du bord du circuit imprimé pour plaquer le cuivre, une ligne de masse de l'ordre de 7 à 10 mils peut être ajoutée comme blindage.

ré. Interférence mutuelle entre les circuits numériques et analogiques

Lorsqu'un PCB contient un circuit numérique à grande vitesse et des signaux analogiques de bas niveau, la diaphonie est généralement générée sur les signaux analogiques par le bruit numérique sous une mauvaise disposition du PCB. L'interférence mutuelle entre les circuits numériques et analogiques est causée par les raisons suivantes. Premièrement, le bruit de diaphonie est causé par la capacité parasite et l'inductance parasite. Deuxièmement, le mauvais découplage de l'ondulation de puissance et de la puissance de la puce numérique entraînera un bruit de puissance. Troisièmement, l'impédance de terre et la mise à la terre du système provoquent du bruit. Le problème du bruit doit être traité dans l'ordre de la puissance, du signal et de la masse.

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