L'actualité PCB - Conception de PCB basée sur la compatibilité électromagnétique

0 Préface

PCB est l'abréviation de Printed Circuit Board en anglais. D'une manière générale, on appelle circuit imprimé un motif conducteur réalisé sur un matériau isolant selon une conception prédéterminée à partir d'un circuit imprimé, d'un élément imprimé ou d'une combinaison des deux. Les motifs conducteurs qui assurent les connexions électriques entre les éléments sur un substrat isolant sont appelés circuits imprimés. De cette façon, le circuit imprimé ou la carte finie du circuit imprimé est appelée carte de circuit imprimé, également appelée carte de circuit imprimé ou carte de circuit imprimé. Les cartes PCB sont inextricablement liées à presque tous les appareils électroniques que nous pouvons voir, des montres électroniques, des calculatrices, des ordinateurs universels, aux ordinateurs, à l'électronique de communication, à l'aérospatiale, aux systèmes d'armes militaires, à condition qu'il existe des composants électroniques tels que les circuits intégrés. Les dispositifs et leurs interconnexions électriques utilisent des PCB dont les performances sont directement liées à la qualité de l'électronique. Avec le développement rapide de la technologie électronique, les produits électroniques sont de plus en plus à haute vitesse, haute sensibilité et haute densité. Cette tendance a entraîné de graves problèmes de compatibilité électromagnétique (CEM) et d'interférences électromagnétiques dans la conception des cartes de circuits imprimés. La conception de la compatibilité électromagnétique est devenue un problème technique urgent à résoudre dans la conception de PCB.

1 compatibilité électromagnétique

La compatibilité électromagnétique (Electro - Magnetic Compatibility ou EMC) est une discipline émergente et intégrative qui étudie principalement les problèmes d'interférence électromagnétique et d'anti - interférence. La compatibilité électromagnétique est un dispositif ou un système électronique qui, à un niveau environnemental électromagnétique spécifié, ne dégrade pas les indicateurs de performance en raison de perturbations électromagnétiques et qui produit un rayonnement électromagnétique qui ne dépasse pas un niveau limite défini sans affecter le fonctionnement normal des autres systèmes. Et d'atteindre l'objectif de l'équipement et de l'équipement, le système et le système de ne pas interférer et de travailler ensemble de manière fiable. L'interférence électromagnétique (EMI) est causée par une source d'interférence électromagnétique qui transmet de l'énergie à un système sensible via un chemin de couplage. Il se compose de trois formes de base: la conduction des fils et des lignes de masse communes, et la conduction par rayonnement spatial ou couplage en champ proche. La pratique a prouvé que même si le schéma de circuit est correctement conçu et la carte de circuit imprimé mal conçue peut nuire à la fiabilité de l'électronique. Assurer la compatibilité électromagnétique des cartes de circuits imprimés est donc essentiel à la conception de l'ensemble du système.

1.1 interférences électromagnétiques (EMI)

Lorsqu'un problème EMI se produit, il doit être décrit en trois éléments: la source d'interférence, le chemin de propagation et le récepteur.

Donc, si nous voulons réduire les interférences électromagnétiques, il faut trouver des solutions sur ces trois éléments. Ci - dessous, nous parlons principalement de la technologie de câblage pour les cartes de circuits imprimés.

2 Technologie de câblage de carte de circuit imprimé

Un bon câblage de la carte de circuit imprimé est un facteur très important pour la compatibilité électromagnétique.

2.1 caractéristiques essentielles des circuits imprimés

Le PCB se compose d'une série de laminage, de câblage et de traitements de pré - immersion sur un empilement vertical. Dans un PCB multicouche, les concepteurs placent les lignes de signal sur la couche la plus externe pour faciliter le débogage.

Le câblage sur un PCB a des propriétés d'impédance, de capacité et d'inductance.

Impédance: l'impédance du câblage est déterminée par le poids et la Section du cuivre. Par exemple, une once de cuivre a une impédance de 0,49 mètre par unité de surface. Capacité: la capacité du câblage est déterminée par l'isolant (eoer), la plage de courant (A) et l'espacement des lignes (h). Exprimé par l'équation C = eoera / h, EO est la constante diélectrique de l'espace libre (8854 PF / M) et ER est la constante diélectrique relative du substrat PCB, qui est de 4,7 dans le laminage fr4.

Inductance: l'inductance du fil est uniformément répartie dans le fil, de l'ordre de 1 NH / m.

Pour un fil de cuivre d'un diamètre extérieur de 1 once, un fil de 0,5 mm (20 mils) de large et de 20 mm (800 mils) de long au - dessus de la couche de terre peut produire une impédance de 9,8 mètres, une inductance de 20 NH et une capacité de couplage de 1,66 PF avec Le sol avec un laminage fr4 de 25 mm (10 mils) d'épaisseur. Les valeurs ci - dessus sont comparées aux effets parasites des composants, qui sont négligeables, mais la somme de tous les câblages peut dépasser les effets parasites. Les concepteurs doivent donc en tenir compte. Lignes directrices générales pour le câblage PCB:

(1) augmenter l'espacement des traces pour réduire la diaphonie du couplage capacitif;

(2) disposer les lignes d'alimentation et de terre en parallèle pour optimiser la capacité du PCB;

(3) garder les lignes sensibles à haute fréquence loin des lignes électriques à fort bruit;

(4) Élargissez le cordon d'alimentation et le fil de terre pour réduire l'impédance du cordon d'alimentation et du fil de terre.

2.2 Division

La segmentation fait référence à l'utilisation de la segmentation physique pour réduire le couplage entre différents types de lignes, en particulier via les lignes électriques et les lignes de masse.

Exemple de division de 4 types de circuits différents en utilisant la technique de division. Sur le plan de masse, des tranchées non métalliques sont utilisées pour isoler les quatre plans de masse. L et C sont utilisés comme filtres pour chaque partie de la plaque. Réduit le couplage entre les plans d'alimentation des différents circuits. En raison de la forte demande de puissance instantanée des circuits numériques à grande vitesse, il est nécessaire de les placer à l'entrée de l'alimentation. Les circuits d'interface peuvent nécessiter des décharges électrostatiques (ESD) et des dispositifs ou circuits inhibiteurs de transitoires. Pour l et c, il est préférable d'utiliser des valeurs différentes de l et c plutôt qu'une grande valeur de l et c, car cela peut fournir des caractéristiques de filtrage différentes pour différents circuits.

2.3 découplage entre alimentation locale et IC

Le découplage local permet de réduire la propagation du bruit le long du réseau d'alimentation. Un condensateur de dérivation de grande capacité connecté entre le port d'entrée d'alimentation et le PCB agit comme un filtre d'ondulation basse fréquence tout en agissant comme un réservoir potentiel d'énergie pour répondre à des besoins d'alimentation soudains. En outre, il devrait y avoir un condensateur de découplage entre l'alimentation et la masse de chaque IC. Ces condensateurs de découplage doivent être placés aussi près que possible des broches. Cela aidera à filtrer le bruit de commutation de l'IC.

2.4 technologie de mise à la terre

Les cartes de circuits imprimés multicouches et les cartes de circuits imprimés monocouches ont toutes deux adopté la technologie de mise à la terre. L'objectif de la technologie de mise à la terre est de minimiser l'impédance de mise à la terre et donc de réduire le potentiel de la boucle de mise à la terre qui retourne du circuit à l'alimentation.

(1) ligne de mise à la terre PCB à couche unique

Dans un PCB à une couche (simple face), la largeur de la ligne de sol doit être aussi large que possible et doit être d'au moins 1,5 mm (60 mils). Étant donné que le câblage en étoile ne peut pas être implémenté sur un PCB monocouche, les variations de largeur des cavaliers et des fils de terre doivent être réduites au minimum, sinon elles entraînent des variations de l'impédance et de l'inductance de la ligne.

(2) câble de mise à la terre PCB à double couche

Dans les circuits imprimés à double couche (double face), les circuits numériques préfèrent le câblage grille / matrice de points à la terre. Cette méthode de câblage permet de réduire l'impédance de mise à la terre, la boucle de mise à la terre et la boucle de signal. Comme pour les circuits imprimés à couche unique, la largeur des lignes de terre et d'alimentation doit être d'au moins 1,5 mm. Une autre disposition consiste à placer le plan de masse d'un côté et les lignes de signal et d'alimentation de l'autre. Dans cette disposition, la boucle de masse et l'impédance seront encore réduites et le condensateur de découplage pourra être placé le plus près possible entre la ligne d'alimentation IC et la couche de masse.

(3) anneau de protection

Un anneau de protection est une technologie de mise à la terre qui isole les environnements bruyants (tels que les courants RF) à l'extérieur de l'anneau. Ceci est dû au fait qu'aucun courant ne circule à travers l'anneau de protection en fonctionnement normal.

(4) Capacité PCB

Sur une carte multicouche, la capacité PCB est générée par une fine couche isolante séparant la surface d'alimentation du sol. Sur une plaque monocouche, la disposition parallèle des lignes d'alimentation et de masse provoque également cet effet capacitif. Un avantage d'un condensateur PCB est qu'il a une réponse en fréquence très élevée et une faible Inductance série uniformément répartie sur toute la surface ou sur toute la ligne. Il est équivalent à un condensateur de découplage réparti uniformément sur la carte. Aucun composant discret n'a cette fonction.

(5) circuit à grande vitesse et circuit à basse vitesse

Les circuits à grande vitesse doivent être placés près du plan de masse et les circuits à basse vitesse près du plan d'alimentation.

(6) remplissage de cuivre au sol

Dans certains circuits analogiques, les zones inutilisées de la carte sont couvertes par un grand plan de masse pour fournir un blindage et augmenter la capacité de découplage. Mais si la zone de cuivre est suspendue (par exemple, elle n'est pas connectée au sol), elle peut fonctionner comme une antenne et causer des problèmes de compatibilité électromagnétique.

(7) Plan de masse et plan d'alimentation en PCB multicouche

Dans les PCB multicouches, il est recommandé de placer le plan d'alimentation et le plan de masse dans des couches adjacentes aussi proches que possible pour créer une plus grande capacité PCB sur toute la carte. Le signal critique le plus rapide doit être placé près d'un côté du plan de masse et le signal non critique doit être placé près du plan d'alimentation.

(8) Exigences de puissance

Lorsque le circuit nécessite plusieurs alimentations, utilisez la mise à la terre pour séparer chaque alimentation. Mais il n'est pas possible de mettre plusieurs points à la terre dans un PCB monocouche. Une solution consiste à séparer les lignes d'alimentation et de terre d'une source d'alimentation des autres. Cela permet également d'éviter les couplages bruyants entre les sources d'alimentation.

3 mots de fin

Les différentes méthodes et techniques décrites dans cet article peuvent aider à améliorer les caractéristiques EMC des PCB. Bien sûr, ce ne sont que des parties de la conception EMC. En général, il faut tenir compte des perturbations causées par le bruit réfléchi, le bruit émis par rayonnement et d'autres problèmes techniques liés au procédé. Dans la conception réelle, selon les exigences cibles de la conception et les conditions de conception, des mesures raisonnables contre les interférences électromagnétiques doivent être prises pour concevoir une carte de circuit imprimé avec de bonnes performances CEM.