Règles efficaces de partitionnement PCB pour une compatibilité électromagnétique améliorée

La CEM (Compatibilité Électromagnétique) désigne un état de coexistence dans lequel les appareils électroniques sont capables d'assurer leurs fonctions dans un même environnement électromagnétique. En termes simples, la CEM permet aux dispositifs électroniques de fonctionner indépendamment et normalement, sans interférences mutuelles, c'est-à-dire qu'ils sont compatibles les uns avec les autres au sein du système global. Puisque la CEM est obtenue par la maîtrise des EMI (Interférences Électromagnétiques), elle s'accompagne d'une série d'études sur les EMI : introduction, recherche, solutions anti-EMI et gestion des EMI.

Principes fondamentaux de la CEM

Pour réduire les interférences entre signaux numériques et analogiques, deux principes fondamentaux de la CEM doivent être respectés :

Principe 1 : La surface de boucle du circuit doit être minimisée.

Principe 2 : Un seul plan de référence peut être utilisé dans un système.

Si le principe 1 n'est pas respecté et que les signaux traversent une grande surface de boucle, une grande antenne de boucle est créée. Si le principe 2 est violé et que deux plans de référence sont disponibles, une antenne dipôle se forme. Aucun de ces deux résultats n'est souhaitable.

Règles et applications de partitionnement pour PCB à signaux mixtes

Il est souvent recommandé de séparer la masse numérique de la masse analogique sur un même PCB à signaux mixtes afin d'obtenir une isolation entre elles. Bien que cette solution soit réalisable, elle engendre de nombreux problèmes latents, particulièrement dans les systèmes de grande envergure. Le problème crucial réside dans l'impossibilité de router des pistes à travers la coupure entre les deux masses. Si des pistes traversent cette séparation, le rayonnement électromagnétique et le crosstalk augmentent drastiquement. Le problème le plus courant en conception PCB est l'apparition d'EMI due à des lignes de signal traversant une masse ou une alimentation coupée.

La Figure 1 ci-dessous illustre cette situation.

Avec cette méthode de séparation, les lignes de signal doivent traverser la coupure entre masse numérique et masse analogique. Quel est alors le chemin de retour du signal ? Supposons que les deux masses coupées soient reliées en un seul point : une grande boucle est créée par le circuit de masse. Le courant haute fréquence traversant cette grande boucle génère une grande capacité de masse et du rayonnement. Si un circuit analogique de bas niveau traverse cette boucle, il sera facilement perturbé par des signaux externes. La situation la plus critique survient lorsque la masse coupée est reliée à l'alimentation : une boucle de circuit extrêmement grande se forme. De plus, une antenne dipôle apparaît lorsque les masses analogique et numérique sont connectées par un long fil. C'est pourquoi les ingénieurs doivent connaître le chemin et la méthode du circuit de retour dans l'optimisation du layout PCB à signaux mixtes. Pourtant, beaucoup ne considèrent que le chemin du signal sans réfléchir au chemin spécifique du retour. Si le plan de masse doit être coupé et que des pistes doivent le traverser, une connexion monopoint peut d'abord être réalisée entre les deux masses coupées avec un pont, fournissant ainsi un chemin de retour continu sous chaque ligne de signal avec une petite surface de boucle, comme le montre la Figure 2.

L'utilisation de dispositifs d'isolation optique ou de transformateurs permet également de faire traverser les signaux la coupure. Pour les isolateurs optiques, ce sont des signaux optiques qui franchissent la coupure ; pour les transformateurs, c'est un champ magnétique. Une autre méthode applicable est l'utilisation de signaux différentiels : le signal circule dans une ligne et revient par l'autre, ne nécessitant pas la masse comme chemin de retour.

Le partitionnement par coupure peut être appliqué dans trois cas de figure :

• Cas 1 : Certains équipements médicaux exigent un courant de fuite très faible entre le circuit connecté au patient et le système.
• Cas 2 : Les entrées de certains équipements de contrôle de processus industriels peuvent être connectées à des dispositifs électromécaniques bruités et de forte puissance.
• Cas 3 : Le layout PCB subit certaines limitations.

Des alimentations numériques et analogiques indépendantes sont généralement présentes sur les PCB à signaux mixtes, et les plans d'alimentation coupés peuvent et doivent être utilisés. Cependant, les lignes de signal proches des plans d'alimentation ne doivent pas traverser la coupure entre les alimentations ; toutes les lignes traversant cette coupure doivent être adjacentes à des plans conducteurs de grande surface. Dans certains cas, les problèmes de coupure des plans d'alimentation peuvent être évités en concevant l'alimentation analogique comme des fils de liaison PCB plutôt que comme un plan.

Méthode de layout du plan de masse et applications pour PCB à signaux mixtes

Pour analyser les interférences laissées par les signaux numériques sur les signaux analogiques, il faut d'abord comprendre les attributs du courant haute fréquence. Le courant haute fréquence emprunte toujours le chemin d'impédance minimale (inductance la plus faible) et se situe directement sous les signaux. Par conséquent, le chemin de retour traversera le plan de circuit adjacent, qu'il s'agisse d'un plan d'alimentation ou de masse. En pratique, on utilise généralement un plan de masse unique, la carte étant partitionnée en zone analogique et zone numérique. Les signaux analogiques sont routés dans la zone analogique de tous les plans, les signaux numériques dans la zone numérique. Dans cette configuration, le courant de retour numérique ne circulera pas dans la masse analogique. Tant que le layout numérique reste au-dessus de la zone numérique et l'analogique au-dessus de la zone analogique, aucune interférence numérique sur l'analogique ne se produit.

De tels problèmes ne proviennent pas de l'absence de masse coupée, mais d'un layout inadapté des signaux numériques. En conception PCB, l'utilisation d'un plan de masse unique, le partitionnement par circuits numériques/analogiques et un routage rationnel résolvent généralement les problèmes difficiles de layout et de partitionnement, tout en évitant les problèmes potentiels causés par une masse coupée. Le layout et le partitionnement des composants deviennent donc les éléments clés déterminant la qualité de la conception PCB. Si le layout et le partitionnement sont corrects, le courant dans la masse numérique restera confiné à la zone numérique, préservant les signaux analogiques des interférences. Ce layout doit être soigneusement inspecté pour garantir le respect total des règles ; sinon, même une seule piste mal placée peut faire échouer toute la carte.

Lorsque les broches de masse analogique (AGND) et numérique (DGND) d'un convertisseur A/N sont connectées ensemble, la plupart des fabricants recommandent de relier AGND et DGND à la même masse de faible impédance par des connexions les plus courtes possibles. En effet, ces broches ne sont pas connectées à l'intérieur du boîtier A/N et toute impédance externe sur DGND couplera plus de bruit numérique au circuit analogique interne via les capacités parasites. Par conséquent, AGND et DGND doivent être connectés à la masse analogique. Cela soulève toutefois la question : faut-il connecter la borne de masse du condensateur de découplage numérique à la masse analogique ou numérique ?

Dans un système avec un seul convertisseur A/N, ce problème se résout facilement : avec les masses séparées, la zone de masse analogique et la zone de masse numérique sont connectées sous le convertisseur A/N. Le pont entre les deux masses doit être aussi large que le boîtier IC et aucune ligne de signal ne doit traverser la coupure.

Dans un système avec plusieurs convertisseurs A/N (par exemple 10), comment procéder ? Si l'on connecte les masses analogique et numérique sous chaque A/N, une connexion multipoints résulte, rendant l'isolation entre masses sans signification. Si l'on ne connecte pas ainsi, les exigences du fabricant ne sont pas respectées. La solution optimale est d'utiliser une masse unique, partitionnée en section analogique et section numérique. Ce type de layout répond à la fois à l'exigence des fabricants d'IC (faible impédance entre AGND et DGND) et évite les problèmes CEM tels que les antennes de boucle ou dipôle.

Si un ingénieur doute de l'approche masse unique, le layout peut être réalisé avec masse coupée. Durant la conception, la carte doit permettre l'ajout d'un fil de liaison (< 0,5 pouce) ou d'une résistance 0 Ω pour connecter les masses coupées. Une attention particulière doit être portée au partitionnement et au layout pour garantir qu'aucune piste numérique ne se trouve au-dessus de la zone analogique et vice-versa, et qu'aucune piste ne traverse la coupure de masse ou d'alimentation. Pour tester les fonctions et la CEM, les deux masses sont connectées par une résistance 0 Ω ou un fil de liaison, puis on reteste. La comparaison montre que dans tous les cas, la solution masse unique est supérieure à la solution masse coupée, tant sur le plan fonctionnel que CEM.

La conception PCB à signaux mixtes est un processus complexe. La carte doit être partitionnée en sections analogique et numérique indépendantes, le convertisseur A/N placé à cheval sur les sections. Pour séparer les alimentations analogique et numérique, la coupure entre plans isolés ne doit pas être traversée ; les lignes de signal qui doivent la traverser doivent être routées sur la couche de circuit adjacente à un plan de grande surface. Il faut analyser où et comment circule le courant de retour afin d'appliquer un layout de composants adéquat et des règles de routage correctes. Sur toutes les couches, les signaux numériques ne peuvent être routés que dans les sections numériques, les signaux analogiques uniquement dans les sections analogiques.

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