Règles de conception du partitionnement des PCB pour l'amélioration de la CEM

CEM, abréviation de compatibilité électromagnétique, fait référence à un état de coexistence dans lequel les appareils électroniques sont capables de mettre en œuvre leurs propres fonctions dans le même environnement électromagnétique. En termes simples, EMC permet aux appareils électroniques de fonctionner indépendamment et normalement sans interférence entre eux, c'est-à-dire que ces appareils électroniques peuvent être compatibles les uns avec les autres dans l'ensemble du système. Étant donné que la CEM est obtenue en contrôlant les EMI (interférences électromagnétiques), elle se développe avec une série d'études concernant les EMI telles que l'introduction des EMI, la recherche sur les EMI, les solutions anti-EMI et la gestion des EMI.

Principes fondamentaux de la CEM

Pour réduire les interférences entre les signaux numériques et les signaux analogiques, vous devez d'abord connaître deux principes fondamentaux de la CEM.
Principe 1 :la zone de boucle du circuit doit être MINIMISE.
Principe 2 :un SEUL plan de référence peut être appliqué dans un système.

Une fois que le principe 1 n'a pas été suivi et que les signaux doivent traverser une grande zone de boucle, une grande antenne en boucle sera générée. Cependant, une fois que le principe 2 n'a pas été suivi et que deux plans de référence sont disponibles, une antenne dipôle sera créée. Aucun des résultats n'est celui attendu.

Règles et applications de partitionnement des PCB à signaux mixtes

Il est conseillé de séparer la masse numérique et la masse analogique sur la même carte de signal mixte afin d'obtenir une isolation entre elles. Malgré la faisabilité de cette solution, de nombreux problèmes latents se produiront, qui font saillie, en particulier dans les systèmes à grande échelle. Le problème crucial réside dans le fait que le traçage n'est pas mis en place sur la séparation entre la masse numérique et la masse analogique. Avec le traçage mis en place à travers la division, le rayonnement électromagnétique et la diaphonie du signal augmenteront considérablement. Le problème le plus fréquemment rencontré dans la conception de circuits imprimés réside dans l'occurrence d'EMI due aux lignes de signal traversant la terre ou l'alimentation séparée.

La figure 1 ci-dessous illustre la situation présentée ci-dessus.

Sur la base de cette méthode de séparation, les lignes de signal doivent traverser la séparation entre la masse numérique et la masse analogique. Alors, à quoi ressemble le chemin de retour du circuit de signal ? Supposons que deux masses séparées soient connectées ensemble en un point et dans cette situation, une grande boucle sera générée par le circuit de masse. Par la suite, un circuit haute fréquence traversant une grande boucle conduira à l'apparition d'une grande boucle avec une capacité de masse élevée et un rayonnement généré. Si un circuit analogique de bas niveau traverse la grande boucle, il sera facilement perturbé par des signaux externes. La pire situation se produira lorsque la terre divisée est connectée à l'alimentation, une boucle de circuit extrêmement grande se formera. De plus, une antenne dipôle sera formée lorsque la masse analogique et la masse numérique sont connectées ensemble via un long câble. Par conséquent, les ingénieurs doivent connaître le chemin et la méthode du circuit de retour dans l'optimisation de la conception des circuits imprimés à signaux mixtes. Cependant, de nombreux ingénieurs regardent le chemin d'écoulement du circuit de signal sans penser au chemin spécifique des circuits. Si le plan de masse doit être divisé et que le traçage doit être disposé sur la division, une connexion à point unique peut d'abord être mise en œuvre entre deux terres divisées avec un pont formé de sorte qu'un chemin de retour de courant continu soit fourni sous chaque ligne de signal avec une petite zone de boucle formé, ce qui est indiqué sur la figure 2.

L'application de dispositifs d'isolation optique ou de transformateurs peut également conduire des signaux à travers la division. En ce qui concerne les dispositifs d'isolation optique, ce sont les signaux optiques qui traversent la division. En ce qui concerne les transformateurs, c'est le champ magnétique qui traverse la division. Une autre méthode applicable réside dans l'application de signaux différentiels. Le signal circule dans une ligne tout en revenant d'une autre ligne de signal. Dans cette condition, le sol n'est pas nécessaire comme voie de retour.

Le partitionnement fractionné peut être appliqué dans les trois circonstances suivantes :
Circonstance 1 : Certains équipements médicaux nécessitent un faible courant de fuite entre le circuit connecté aux patients et le système.
Circonstance 2 : L'entrée de certains équipements de contrôle de processus industriels peut être connecté à des appareils électromécaniques à haut niveau de bruit et de puissance.
Circonstance 3 :la disposition des circuits imprimés souffre de certaines limitations.

Des puissances numériques et analogiques indépendantes sont généralement disponibles sur les circuits imprimés à signaux mixtes et les plans d'alimentation divisés peuvent et doivent être dépendants. Cependant, les lignes de signal proches des plans de puissance ne parviennent pas à traverser la séparation entre les puissances et toutes les lignes de signal traversant cette séparation doivent être ambiantes par rapport aux plans conducteurs de grande surface. Dans certaines situations, les problèmes de division concernant les plans d'alimentation peuvent être évités en concevant l'alimentation analogique comme des fils de connexion PCB au lieu d'un simple plan.

Méthode de disposition du plan de masse et applications du circuit imprimé à signaux mixtes

Pour discuter des interférences laissées par les signaux numériques sur les signaux analogiques, les attributs du courant haute fréquence doivent d'abord être compris. Le courant haute fréquence dépend toujours du chemin avec une impédance minimale (inductance la plus faible) et se trouve directement sous les signaux. En conséquence, le chemin de retour traversera le plan du circuit ambiant, peu importe que ce plan soit un plan d'alimentation ou un plan de masse. En pratique, le plan de masse a tendance à être utilisé avec une carte de circuit imprimé divisée en section analogique et section numérique. Les signaux analogiques sont déposés dans les sections analogiques de tous les plans, tandis que les signaux numériques se trouvent dans la zone du circuit numérique. Dans cette situation, le courant de retour du signal numérique ne circulera pas dans la masse des signaux analogiques. Tant que la disposition du signal numérique est effectuée au-dessus de la section analogique ou que la disposition du signal analogique est effectuée au-dessus de la section numérique dans les PCB, des interférences produites par les signaux numériques sur les signaux analogiques seront générées.

L'apparition de tels problèmes ne découle pas de l'absence de séparation du sol, mais de la disposition inappropriée des signaux numériques. En ce qui concerne la conception des circuits imprimés, l'application du plan de masse, le partitionnement par des circuits numériques et des circuits analogiques et une disposition raisonnable des signaux aident généralement à résoudre les problèmes difficiles concernant la disposition et le partitionnement. De plus, certains problèmes potentiels causés par un terrain divisé peuvent être évités. En conséquence, la disposition et le partitionnement des composants deviennent des éléments clés déterminant la qualité de la conception des PCB. Si la disposition et le partitionnement sont suffisamment appropriés, le courant dans la masse numérique sera limité dans la section numérique d'une carte de circuit imprimé avec des signaux analogiques arrêtés d'être interférés. La mise en page pour une telle situation doit être soigneusement inspectée et vérifiée pour s'assurer que les règles de mise en page doivent être totalement respectées. Sinon, même une disposition de ligne de signal inadaptée peut entraîner la panne de tout un circuit imprimé.

Lorsque les broches de terre analogique et de terre numérique du convertisseur A/N sont connectées ensemble, la plupart des fabricants de convertisseurs A/N suggèrent de connecter les broches ADND et DGND avec la même terre avec une faible impédance via des fils minimum. C'est parce que ces broches ne sont pas connectées à l'intérieur de la plupart des circuits intégrés de convertisseur A/N et que toute impédance externe connectée à DGND entraînera plus de bruit numérique couplé au circuit analogique à l'intérieur du circuit intégré via une capacité parasite. En conséquence, les broches AGND et DGND du convertisseur A/N doivent être connectées à la masse analogique. Néanmoins, cela soulèvera un problème de savoir si la masse analogique ou la masse numérique doit être connectée à la borne de mise à la terre du condensateur de découplage des signaux numériques.

En ce qui concerne le système avec un seul convertisseur A/N, le problème présenté ci-dessus peut être facilement résolu. Avec la masse séparée, la section de masse analogique et la section de masse numérique sont connectées sous le convertisseur A/N. Lorsque cette méthode est utilisée, le pont entre deux masses doit être aussi large que celui d'IC ​​et aucune ligne de signal ne doit traverser la séparation.

Quand il s'agit d'un système avec quelques convertisseurs A/N, 10 par exemple, comment doit-on se connecter ? Si nous suivons la même solution que celle présentée ci-dessus, c'est-à-dire pour connecter la masse analogique et la masse numérique sous le convertisseur A/N, une connexion à points multiples sera provoquée de sorte que l'isolation entre la masse analogique et la masse numérique deviendra inutile. Si la connexion n'est pas effectuée de cette manière, les exigences du fabricant ne seront pas satisfaites. La solution optimale réside dans l'application d'un sol uniforme divisé en section analogique et section numérique. Ce type de disposition répond non seulement aux exigences de masse analogique et de masse numérique des fabricants de circuits intégrés qui exigent une faible impédance entre eux, mais évite également les problèmes d'EMC tels que l'antenne en boucle ou l'antenne dipôle.

Si les ingénieurs ont des doutes sur l'application au sol uniforme dans la conception des circuits imprimés, la disposition peut être mise en œuvre en fonction de la méthode de division du plan de masse. Dans le processus de conception, la carte doit être accessible pour sauter le fil avec une résistance inférieure à 0,5 pouce ou 0 ohm pour connecter la terre divisée. Une grande attention doit être accordée au partitionnement et à la disposition afin de s'assurer qu'aucune ligne de signal numérique n'est placée au-dessus de la section analogique et vice versa. De plus, aucune ligne de signal ne doit traverser des puissances d'isolation divisées ou divisées au sol. Pour tester les fonctions de la carte PCB et de sa CEM, deux terres doivent être connectées via une résistance de 0 ohm ou un fil de saut, puis retester les fonctions de la carte et de sa CEM. La comparaison des résultats indique que dans tous les cas, une solution de sol uniforme est meilleure qu'une solution de sol divisé en termes de fonctions et de CEM.

La conception de circuits imprimés à signaux mixtes est un processus compliqué. Un circuit imprimé doit être divisé en une section analogique et une section numérique indépendantes et un convertisseur A/N doit être placé entre les sections. Pour séparer les puissances analogiques et numériques, la répartition entre les plans de puissance isolés ne doit pas être croisée et les lignes de signal qui doivent être croisées doivent être disposées au niveau de la couche de circuit qui est ambiante sur une grande surface. Où le courant du chemin de retour circule et comment il circule doit être analysé afin que la disposition appropriée des composants et les règles de disposition correctes soient conformes. Dans toutes les couches d'un circuit imprimé, les signaux numériques ne peuvent être disposés que dans des sections numériques, tandis que les signaux analogiques ne peuvent être disposés que dans des sections analogiques.

Méthode de disposition du plan de masse et applications du circuit imprimé à signaux mixtes

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