Techniques de routage de PCB à grande vitesse pour réduire l'influence des EMI

Les nouvelles générations de technologies électroniques conduisent à une vitesse de pointe croissante des composants. L'amélioration de la vitesse de travail du circuit entraîne des exigences de plus en plus élevées sur la conception des circuits imprimés. La qualité de la conception des circuits imprimés détermine même les performances de fonctionnement des composants et de l'ensemble du circuit. Surtout avec le coût et la zone PCB et la fonctionnalité du circuit complet pris en compte, les sources de génération d'EMI (interface électromagnétique) deviennent de plus en plus larges avec un mécanisme compliqué.

Mécanisme et solutions EMI

Les principaux éléments de l'EMI contiennent la source d'interférence électromagnétique, la voie de transmission et l'objet brouillé. Avec les éléments menant à l'avènement des EMI spécifiés, il est nécessaire de déterminer les éléments qui sont faciles à résoudre et ceux qui ne peuvent être que partiellement résolus dans le processus de conception de PCB afin qu'ils puissent être pris en considération dans le processus de mise en page, de routage et mise à la terre.

• Mise en page

En termes de disposition des PCB, les zones doivent être divisées selon différentes fonctionnalités. Différentes fonctionnalités sont réparties dans différents domaines, tandis qu'une attention particulière doit être accordée aux unités sensibles dans les domaines fonctionnels.

Généralement, les principes suivants doivent être suivis pour la disposition des PCB :

un. Dans les circuits à grande vitesse, les paramètres de distribution des broches des composants doivent être pris en compte et la capacité distribuée des broches des composants est tout à fait essentielle, en particulier pour les signaux d'horloge à grande vitesse. Pendant ce temps, l'inductance distribuée doit être prise en référence car elle entraînera éventuellement une oscillation des signaux, ce qui entraînera une défaillance de la fonction du circuit. Par conséquent, dans le processus de mise en page, la distribution doit être organisée avec une haute densité avec une longueur de câble réduite pour un routage futur et l'influence des EMI diminuée.

b. Si les composants analogiques et les composants électroniques restent dans un circuit, ils doivent être distribués indépendamment dans le processus de mise en page. Étant donné que les signaux des composants numériques ont existé des composites complexes avec plusieurs ondes harmoniques, une grande influence sera générée sur les signaux analogiques. Ils doivent donc être considérés avec la plus grande prudence.

c. Les unités d'horloge sont essentielles dans les circuits à grande vitesse. Le mécanisme de travail de l'unité d'horloge est en fait équivalent à une source de bruit, ce qui signifie que cette unité oscillera lorsque certaines conditions seront remplies. En tant que source importante d'interférences de conductivité et d'interférences de rayonnement, l'horloge ne doit pas être placée au bord du PCB. Sinon, EMI deviendrait si grave. Il est nécessaire de placer des unités d'horloge au centre du PCB, ce qui peut réduire considérablement les EMI dans les circuits.

• Routage

Dans le processus de routage des PCB, dans des conditions de faible coût, le plan de masse peut être agrandi autant que possible afin de réduire l'influence des EMI. Cependant, dans les circonstances où le coût doit être strictement contrôlé, le nombre de couches de PCB et la séquence d'empilement doivent être soigneusement pris en compte. De plus, les types de signaux doivent être pris en compte et le routage doit être effectué indépendamment vers des signaux à grande vitesse et des signaux à faible vitesse. En outre, d'autres éléments doivent être pris en compte, notamment la source de bruit et la manière de renforcer l'inhibition du bruit, les problèmes d'adaptation d'impédance (les signaux à grande vitesse sans adaptation appropriée entraîneront certainement la réflexion des signaux et réduiront la fiabilité des circuits) et la liste des réseaux. .

un. Principes de base du routage

Les principes généraux suivis dans le routage incluent :

1).Les points d'arrêt doivent être évités dans le routage, ce qui signifie que l'angle droit doit être évité, comme le montre la figure 1 ci-dessous.

Étant donné que l'angle droit entraînera éventuellement une réflexion, le point d'inflexion doit être conçu en douceur pour éviter ce phénomène. Simultanément, les signaux clés ne doivent pas être au-delà des zones divisées, sinon les EMI seront instantanément améliorées. Le contournement de signal le plus courant consiste à traverser différentes zones de puissance divisée.

2). Dans le processus de mise en page, les composants analogiques et les composants numériques doivent être séparés les uns des autres, ce qui signifie que leurs routages doivent être divisés. Simultanément, la largeur des fils de terre et des fils d'alimentation doit être agrandie avec la règle générale selon laquelle la largeur des fils de terre est plus grande que celle des fils d'alimentation qui est plus grande que celle des fils de signal. De plus, les principes 3W doivent être pleinement pris en compte lors du routage des fils de signal, tandis que pour les cartes multicouches, le principe 20H doit être pris en compte sur les couches internes. La réalisation des travaux ci-dessus est capable d'éviter 70% des EMI. En termes de fils sensibles analogiques, des mesures peuvent être mises en œuvre telles que la mise à la terre.

3). Pour le routage d'USB2.0 ou d'autres lignes différentielles à grande vitesse, le routage de couplage doit être appliqué et l'intégrité de la surface de référence entre les paires différentielles doit être garantie. Étant donné que les paires différentielles sont généralement des signaux à grande vitesse, le routage ne doit pas être organisé au bord du PCB.

b. Boucles

Les boucles ne peuvent jamais être évitées dans la conception de PCB. Les boucles sont formées à partir de signaux circulant vers l'intérieur et chacune des boucles joue un rôle d'antenne dans la fonctionnalité. Pour réduire les EMI dans les PCB, le nombre de boucles et la capacité d'antenne des boucles doivent être diminués. Cela signifie que la direction du flux de chaque signal doit être prise en compte dans la conception du circuit imprimé et que la zone de boucle doit être réduite pour les signaux à grande vitesse.

Dans les circuits, les boucles les plus couramment utilisées résident dans les boucles de puissance contenues par un condensateur de découplage, comme le montre la figure 2.

Si le condensateur de découplage est placé comme le schéma de gauche de la figure 2, des boucles de courant relativement importantes seront générées avec un phénomène EMI évident. Au contraire, dans le diagramme de droite de la figure 2 dans lequel le condensateur de découplage est placé à proximité de la puce, une boucle de découplage extrêmement petite est générée avec une fonctionnalité principale de réduction des EMI. Les principes à suivre sont affichés pour réduire les boucles :

1).Un seul chemin est assuré entre deux points sur chaque ligne de signal.

2). Le plan de masse doit être appliqué sans blocage dans les boucles de signal.

c. Fils de terre du PCB

1). Les différences doivent être clarifiées entre la masse numérique, la masse analogique et la masse du blindage du système dans le système de mise à la terre du circuit imprimé. Les perles magnétiques et le condensateur sont appliqués pour séparer la masse numérique et la masse analogique et la masse numérique et la masse du champ doivent être directement connectées. circuits fermés par des fils de terre afin que la capacité anti-interférence soit renforcée et la différence de niveau électrique réduite entre les systèmes.

• Conception du filtre

Dans les circuits imprimés à grande vitesse, le traitement du filtre peut être mis en œuvre sur les fils d'alimentation et les fils de signal. Les mesures courantes incluent l'ajout de composants de filtre magnétique, d'un filtre EMI et d'un condensateur de découplage.

un. Sélection du condensateur de découplage

1). Dans un circuit, le condensateur de découplage aide à rendre la puissance lisse et à renforcer la capacité anti-interférence. Généralement, le condensateur céramique est utilisé comme condensateur de découplage en raison de sa grande stabilité, de sa grande précision, de son petit volume et de sa faible ESR (résistance série équivalente). Dans la conception des circuits, la valeur de la résistance est choisie dans la plage de 1 μF à 100 μF tandis que la capacité de résistance à la tension doit être considérée en fonction des circuits.
2). Le condensateur de découplage doit être placé à proximité des composants.

b. Sélection de composants magnétiques

Les composants magnétiques peuvent être classés en inducteurs et billes magnétiques. Généralement, l'inductance est captée à l'extrémité de la borne d'alimentation tandis que les perles magnétiques entre les lignes de signal. Lors du processus de sélection des composants, les paramètres de saturation doivent être pris en considération. Une fois que les composants magnétiques atteignent la saturation, ils seront brûlés. De plus, les paramètres de qualité et DCR des composants magnétiques doivent être pris en compte.

La mesure couramment utilisée parmi les lignes de signal réside dans l'application de billes magnétiques sur les lignes série pour renforcer la capacité EMI.

c. Sélection du filtre EMI

La zone avec de graves interférences en mode commun se situe à l'endroit où se trouvent l'alimentation et les lignes de signal. Les mesures ordinaires pour éviter les interférences en mode commun comprennent l'ajout d'une inductance en mode commun, d'une piézorésistance, d'un circuit LC et d'un filtre EMI spécifique. Dans les circuits à grande vitesse, le problème EMI doit être pris en compte pour la transmission à grande vitesse sur des interfaces numériques telles que USB et HDMI.

• Réflexion du signal

Dans la transmission du signal, l'énergie au terminal source doit toujours être transmise au terminal de chargement, ce qui signifie que ZL doit être égal à ZO. S'ils ne sont pas égaux entre eux, une partie de l'énergie sera réfléchie.

Si le délai de transmission des lignes est relativement long, des signaux plus forts seront réfléchis vers le terminal source. Ensuite, une quantité relativement importante doit être modifiée pour la compensation lorsque la sonnerie est générée, comme illustré à la figure 5 ci-dessous.

Lorsque la sonnerie a lieu aux signaux, l'EMI atteint le pic de gravité. Pour éviter un tel phénomène dans la conception de PCB, veuillez suivre les principes du tableau 1.

Temps de front du signal (ns)	Longueur des lignes de signal (pouces)
5	8.6
4	6.9
3	5.1
2	3.4
1	1.7

Test EMI

Après la conception du produit, malgré de nombreuses mesures pour éviter les EMI, les problèmes ne seront pas détectés avant la mise en œuvre du test. Ensuite, certaines modifications peuvent être apportées pour résoudre les problèmes.

Le test EMI comprend la méthode de test, les appareils et la position de test. Les méthodes d'essai doivent être effectuées en référence à tous les éléments. Si les appareils ne parviennent pas à atteindre la norme, un spectromètre peut être appliqué pour un test qualitatif. Si une valeur EMI spécifique des appareils est requise, des appareils professionnels doivent être appliqués. En ce qui concerne la position de test, il est préférable de faire le test en chambre noire.

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