Technologie PCB - EMI / EMC Design Lectures: image plane pour circuits imprimés (partie supérieure)

Un plan d'image est une couche de conducteurs en cuivre (ou d'autres conducteurs) située à l'intérieur d'une carte de circuit imprimé (PCB). Il peut s'agir d'un plan de tension, ou d'un plan de référence 0v adjacent au circuit ou à la couche de routage du signal. Dans les années 1990, le concept de plan d'image a été largement utilisé et est maintenant un nom propre aux normes de l'industrie. Cet article explique la définition, le principe et la conception d'un plan d'image.

Définition de image plane

Le courant RF doit être renvoyé à la source de courant par le chemin défini précédemment ou par un autre chemin; En bref, ce chemin de retour est une sorte de plan image. Le plan image peut être une image miroir (miroir) du câblage d'origine, ou un autre chemin situé à proximité, c'est - à - dire diaphonique; Le plan image peut être un plan d'alimentation, un plan de masse ou un espace libre (espace libre). L'espace). Le courant RF sera couplé à n'importe quelle ligne de transmission sous forme Capacitive ou inductive, dans la mesure où l'impédance de cette ligne de transmission est inférieure à celle du trajet défini précédemment. Cependant, pour être conforme aux normes EMC, vous devez éviter d'utiliser l'espace libre comme chemin de retour.

Bien qu'un PCB simple face puisse réduire les coûts, cette structure simple peut ne pas être conforme aux normes EMC. La plupart des PCB à 2 ou 4 couches ont une intégrité de signal relativement élevée et peuvent passer des tests CEM. L'empilement PCB haute densité (multicouche) peut fournir une réjection RF de 6db à 8dB pour chaque paire de plans image en raison de l'effet de l'élimination du flux magnétique. Il existe une règle simple qui peut être utilisée pour déterminer quand utiliser une carte multicouche: une carte multicouche doit être utilisée lorsque la fréquence dépasse 5 MHz ou lorsque le temps de montée est inférieur à 5 NS.

Définition de inductance

Les traces et les plans de cuivre ont tous deux un nombre limité d'inductances. Lorsque la tension est appliquée sur une trace ou une ligne de transmission, ces inductances vont interdire la génération de courant électrique, de sorte que les deux fils deviennent un rayonnement de mode commun déséquilibré et que le flux magnétique ne peut pas être réduit. Dans la structure de la carte, il existe trois types différents d'inductances:

. inductance partielle: inductance présente dans les fils ou les traces de PCB.

Self - inductance: inductance d'un segment de fil, opposée à un segment de fil d'une longueur infinie.

. inductance de la partie commune: effet d'une partie inductive sur la deuxième partie inductive.

L'inductance est la plus difficile à mesurer par rapport à la capacité et à la résistance. L'inductance représente la dynamique de la boucle de courant fermée. L'inductance est le rapport du flux magnétique à travers la boucle fermée au courant qui le produit. Son expression mathématique est: Lij = Isla ij / Li, Isla étant le flux magnétique et I le courant dans la boucle. En boucle fermée, la valeur de l'inductance est liée à la forme et à la taille de la boucle. Lors de la conception d'un PCB, les ingénieurs négligent souvent l'inductance des traces. L'inductance est toujours associée à une boucle fermée. L'effet inductif d'une boucle fermée peut être décrit en termes d'inductance partielle et d'effets inductifs partiels communs.

Inductance partielle

Inductance interne du conducteur, produite par le flux magnétique à l'intérieur du conducteur. La somme des inductances partielles de la boucle fermée est égale à la somme des inductances partielles de chaque portion, i.e. Le Li de chaque portion est égal à un îlot I / Li, l'îlot I représentant le flux magnétique couplé à la boucle dans la I - ième portion, I la quantité de courant dans la I - ième portion et Li l'inductance partielle. Ainsi, les différents circuits auront des valeurs d'inductance partielle différentes. Nous nous soucions de la valeur de l'inductance partielle, pas de la valeur totale de l'inductance de la trace. De plus, une inductance partielle peut être utilisée pour dériver une inductance partielle commune.

Inductance partielle commune

Le principal facteur qui permet au plan image d'éliminer le flux magnétique provient de l '« inductance partielle commune». Après l'élimination du flux magnétique, les lignes de champ magnétique peuvent être connectées et le meilleur chemin de retour pour le courant RF peut être trouvé. Par inductance partielle en soi, on entend l'inductance d'une portion de boucle particulière, indépendamment des autres portions de boucle. La figure 1 montre une partie de son propre inductance. Le courant dans la boucle de trace est I et LP est l'inductance partielle de la portion de trace elle - même. Supposons que cette trajectoire s'étend d'une extrémité limitée à l'autre extrémité de l'infini.

En théorie, alors que leur propre inductance partielle n'est pas liée aux fils voisins, en fait, les fils voisins qui sont moins éloignés modifient les valeurs de leurs propres inductances locales les uns des autres. C'est parce qu'un fil va interagir avec d'autres fils, de sorte que le courant ne sera plus réparti uniformément sur toute la longueur du fil. Ceci est d'autant plus évident que le rapport de la distance au rayon entre les deux fils est inférieur à 5: 1.

Figure 1: une partie de sa propre inductance

Entre deux fils, il y aura une inductance partielle commune. L'inductance partielle commune MP est basée sur le câblage parallèle ou l'espacement entre les segments de fil. MP est le rapport entre le « Flux magnétique généré par le courant dans le premier fil (arrivant à distance par le deuxième fil) » et le « courant généré par le premier fil». La figure 2 montre une inductance partielle commune. Son circuit équivalent est représenté sur la figure 3, l'expression mathématique de ce circuit étant la suivante:

Figure 2: inductance partielle commune

Figure 3: inductance partielle commune entre deux fils

Avec maintenant la notion d'inductance partielle commune, on considère la transmission d'un signal, par example fréquentiel, sur le circuit de la figure 3. V1 est sur le chemin du signal, tandis que V2 est sur le chemin de retour du courant RF. Supposons que ces deux lignes forment un chemin de signal et son chemin de retour, donc i1 = I, I2 = - I. Sans la présence d'une inductance partielle commune, les deux fils ne pourraient pas être couplés l'un à l'autre, le circuit ne fonctionnerait pas correctement et ne formerait pas de boucle fermée. La chute de tension de la figure 3 devient:

On sait de la formule ci - dessus que si l'on veut réduire la chute de tension, il faut augmenter la partie commune de l'inductance (MP).

Le moyen le plus simple d'augmenter la partie commune de l'inductance est de placer le chemin du courant de retour RF le plus près possible de la trace du signal. La meilleure façon de concevoir est d'utiliser le plan de retour RF près de la trace du signal. La distance entre eux doit être aussi petite que possible dans la mesure où elle est réalisable.

Une partie de l'inductance est toujours présente dans le fil, elle est identique à la valeur par défaut. Elle est donc équivalente à une antenne ayant une fréquence de résonance particulière. Une « inductance partielle commune » peut réduire l’effet d’une « inductance partielle ». En réduisant la distance entre les deux fils, il est possible de réduire l'inductance d'un seul composant, répondant ainsi aux exigences des normes de compatibilité EMI.

Pour maximiser le rôle de la partie commune de l'inductance, les courants dans les deux fils doivent être de même taille, mais dans des directions opposées. C'est pourquoi le plan image (ou la ligne de terre) peut être si efficace. Entre deux fils parallèles, il existe des inductances courantes dont les valeurs peuvent varier en fonction de la distance et de la longueur des deux fils (voir les spécifications techniques des fils). Lorsque la distance et la longueur de deux fils parallèles sont minimales, la valeur de l'inductance dans leur partie commune sera maximale.

Si un matériau diélectrique est utilisé pour séparer le plan d'alimentation et le plan de masse, quel rôle jouera l '« inductance partielle commune» à ce stade? De même, tant que la distance entre les deux plans est faible, la valeur de l'inductance de la partie commune sera grande. À ce stade, le courant du Signal RF mesuré sur le plan de puissance doit être nul.

Car il est compensé par un courant de retour RF de même taille et de sens opposé.

Par ailleurs, il est à noter que si la valeur de l'inductance dans la partie commune entre les deux fils diminue, non seulement l'effet du plan image diminue, mais aussi la valeur de la capacité entre les deux plans augmente.