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

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.

Conception d'un plan d'image

La figure 4 est un plan image dans un PCB qui a une inductance partielle commune. Sur cette figure, la majeure partie du courant RF de la trace de signal sera renvoyée au plan de masse juste en dessous de la trace de signal. Dans cette structure "image" de retour, le courant de retour RF rencontrera une impédance limitée (inductance). Ce courant de retour génère un « gradient de tension (pente) » (taux de variation de tension par unité de longueur de trajet), également appelé « tension de bruit de terre». La tension de bruit de masse provoquera le passage d'une partie du courant du signal à travers un condensateur discret sur le plan de masse.

Un courant de mode commun typique est 1 / 10n fois le courant de mode différentiel Idm (n étant un entier positif inférieur à 10). Cependant, les courants de mode commun (I1 et ICM) produiront plus de rayonnement que les courants de mode différentiel (et). En effet, les champs de courant RF de mode commun sont additionnés, tandis que les champs de courant de mode différentiel sont soustraits.

Pour réduire la "tension de bruit de terre", il faut augmenter la valeur de l'inductance commune entre la trace et le plan image le plus proche. Cela peut fournir un chemin amélioré pour le courant de retour pour cartographier le courant d'image à la source de courant. La formule de calcul de la tension de bruit de masse vgnd est la suivante:

Vgnd = lg Di2 / DT MGS di1 / DT

Les significations symboliques de la figure 4 et de la formule ci - dessus sont les suivantes:

LS = partie de l'inductance de la trace de signal elle - même.

MSG = inductance partielle commune entre la trace de signal et le plan de masse.

Lg = partie de l'inductance du plan de masse lui - même.

MGS = inductance partielle commune entre le plan de masse et la trace du signal.

Cstray = capacité parasite du plan de masse.

Vgnd = tension de bruit du plan de masse.

Pour réduire if sur la figure 4, il est nécessaire de réduire la tension de bruit de terre. La meilleure façon de le faire est de réduire la distance entre les traces de signal et le plan de masse. Dans la plupart des cas, la réduction du bruit au sol est limitée car la distance entre le plan signal et le plan image ne peut être inférieure à une certaine valeur; En dessous de cette valeur, l'impédance fixe et le fonctionnement de la carte ne seront pas garantis. En outre, il peut également fournir un chemin supplémentaire pour le courant radiofréquence, réduisant ainsi la tension de bruit de terre. Cette boucle supplémentaire comprend plusieurs lignes de terre.

Figure 4: plan de masse dans le PCB

Un plan stable produira un rayonnement de mode commun. Comme l'inductance de la partie commune peut réduire la production de courants radiofréquences rayonnants, l'inductance de la partie commune peut également affecter les courants de mode différentiel et de mode commun. L'utilisation d'un plan image permet de réduire considérablement ces courants. En théorie, le courant de mode différentiel devrait être égal à zéro, mais en pratique il ne peut pas être éliminé à 100% et le courant de mode différentiel restant sera converti en courant de mode commun. Ce courant de mode commun est la principale source de perturbations électromagnétiques. Parce que le courant RF résiduel sur la voie de retour s'ajoute au courant principal (I1) dans la voie du signal, ce qui entraîne de graves perturbations du signal. Pour réduire le courant de mode commun, il faut augmenter au maximum la valeur de l'inductance dans la partie commune entre le plan de trajectoire et le plan image pour capter le flux magnétique et éliminer ainsi l'énergie RF inutile. La tension et le courant de mode différentiel produiront un courant de mode commun. Outre l'augmentation de la valeur de l'inductance commune, le procédé de réduction du courant de mode différentiel doit également minimiser la distance entre le plan trace et le plan image.

Dans un PCB, lorsqu'il existe un plan ou un chemin de retour RF, les meilleures performances peuvent être obtenues si le chemin de retour est connecté à une source de référence. Pour TTL et CMOS, les broches d'alimentation et de mise à la terre de la puce sont connectées à la source de référence, à l'alimentation et à la mise à la terre. Un plan d'image réel n'existera que si le chemin de retour RF est connecté aux broches d'alimentation et de mise à la terre dans la puce. Typiquement, il y a un circuit de masse dans la puce qui est connecté au plan de masse du PCB et produit ainsi un bon plan image. Si vous supprimez ce plan d'image, un plan d'image "imaginaire" est créé entre la trace et le plan de sol. Comme la distance entre les traces est faible, l'énergie rayonnée sera réduite et donc l'image RF sera décalée. Le plan d'image idéal devrait être infini et sans fissures, fissures ou incisions.

Boucle de mise à la terre et de signal

Étant donné que les boucles sont le milieu le plus important pour la propagation de l'énergie RF, le contrôle de la boucle de terre ou de signal (contrôle de boucle) est l'une des considérations de conception les plus importantes pour la suppression des interférences électromagnétiques dans les PCB. L'élément logique à grande vitesse et l'oscillateur doivent être placés le plus près possible du circuit de masse pour éviter la formation de boucles; Il y aura des courants de Foucault dans ce circuit, lorsque le châssis ou le châssis est mis à la terre. Les courants de Foucault sont causés par un champ magnétique variable, souvent parasite. La figure 5 montre la boucle formée par la fente pour carte adaptateur du PC et un point de mise à la terre unique. Sur cette figure, il y a un signal supplémentaire qui retourne dans la zone de boucle. Chaque boucle produira un champ électromagnétique et un spectre de fréquences différents. Un courant radiofréquence crée un champ de rayonnement électromagnétique de fréquence spécifique, dont l'énergie rayonnée est d'une taille liée à la zone de la boucle. A ce stade, un boîtier de confinement doit être utilisé pour empêcher le couplage du courant radiofréquence à d'autres circuits; Ou rayonnement dans l'environnement extérieur provoquant des perturbations électromagnétiques. Cependant, il est préférable d'éviter autant que possible que le circuit interne génère un courant de boucle RF.

Figure 5: boucle de mise à la terre dans le PCB

Si le chemin de retour du courant RF n'est pas présent, à ce stade, le mouvement peut être assisté par un fil de terre connecté à la base ou une source de référence 0V.

Nettoyez les mauvais courants RF. C’est aussi ce qu’on appelle le « contrôle de zone cyclique ».

Contrôle de zone de boucle

Une boucle induite par un champ magnétique dont le champ électromagnétique peut être représenté par une source de tension. La taille de cette source de tension est proportionnelle à la surface totale de la boucle. Ainsi, pour réduire l'effet de couplage du champ magnétique, il est nécessaire de réduire la surface de la boucle. Le système de réception "Pickup" de champ électrique repose également sur une zone annulaire pour former une antenne de réception.

Lorsqu'un champ électrique est présent, une source de courant est créée entre l'alimentation et le plan de masse. Le champ électrique n'est pas couplé d'une ligne à l'autre, mais d'une trace à la masse, ce qui inclut le courant de mode commun. Cependant, pour un champ magnétique, puisque le champ électrique sera créé avec lui, le champ électromagnétique sera couplé de la ligne à la ligne, mais aussi de la trace à la terre.

La plupart des gens vont ignorer la nécessité de définir une zone de boucle entre l'alimentation et le point de référence 0v dans le PCB. La grande surface de boucle représentée sur la figure 6 est la plus facile à concevoir, mais elle est également la plus susceptible d'être une antenne induite par une "Décharge électrostatique (ESD)" ou un autre champ. Les PCB empilés multicouches réduisent les dommages causés par les ESD et peuvent réduire la production de champs magnétiques, les empêchant de rayonner dans l'espace libre. Sur la figure 7, il y a une petite zone de boucle entre le plan de masse et le plan d'alimentation.

L'utilisation de l'alimentation et du plan de masse peut réduire l'inductance du système de distribution. Si l'impédance caractéristique du système de distribution est réduite, la chute de tension de la carte peut être réduite. Si la chute de tension devient faible, le phénomène de "rebond de la Terre" peut être évité. Lorsque l'interrupteur de porte logique est commuté rapidement, les variations de courant instantanées sont transmises au plan d'alimentation ou au plan de masse de la carte mère via la broche IC, provoquant des fluctuations de la tension de référence d'entrée qui, à leur tour, génèrent du bruit radiofréquence (bruit RF) et des interférences électromagnétiques. Ce phénomène est appelé « rebond au sol ». De plus, tout en diminuant l'impédance caractéristique, la valeur de la capacité entre le plan d'alimentation et le plan de masse augmentera. Cette valeur de capacité fera chuter toute tension induite. C’est l’effet du « découplage ».

Figure 6: la zone verte est une grande zone annulaire

Lorsque les lignes de signal circulent entre les composants, une grande zone de boucle est créée. Mais nous oublions souvent l'impact des lignes de signal sur l'EMI. Bien que l'intégrité du signal (Domaine temporel) reste élevée, l'EMI existe toujours (Domaine fréquentiel), car la zone de boucle du signal pose plus de problèmes que le système de distribution. Cela est particulièrement vrai du point de vue de l’éducation au développement durable; C'est parce que l'ESD va directement dans les broches d'entrée de la boucle et du composant. Pour réduire les dommages que votre ESD peut causer, réduire la zone de boucle est le moyen le plus simple de le faire. Le réseau décentralisé d'alimentation et de plan de masse fournit un chemin de faible impédance qui peut transmettre l'énergie ESD au plan de référence de retour 0V. Après tout, les circuits sont des circuits électriques et s'ils peuvent émettre des ondes électromagnétiques, ils devraient être capables de les recevoir.

En plus de réduire la tension de bruit de terre, le plan image peut également empêcher la boucle de terre RF de devenir plus importante, car le courant RF est étroitement couplé à sa trace de source de courant, de sorte qu'il n'est pas nécessaire de trouver un autre chemin de retour. Lorsque le contrôle de boucle est maximisé, le flux magnétique est fortement éliminé. C'est l'un des concepts les plus importants pour supprimer les courants RF dans un PCB. Au voisinage de chaque plan de signal, une configuration correcte du plan image permet d'éliminer les courants radiofréquences de mode commun. Le plan image qui transmet une grande quantité de courant RF doit être relié à la masse ou à un point de référence 0V. Pour éliminer l'excès de tension RF et de courants de Foucault, tous les plans de masse et de base peuvent être connectés au point de masse de la base par un circuit de masse à basse impédance.

Figure 7: disposition de PCB avec une petite zone de boucle

Espacement des lignes de terre

Pour réduire la génération de boucles dans votre PCB, le moyen le plus simple est de concevoir de nombreux fils de mise à la terre et de les connecter tous au point de mise à la terre de la base. Étant donné que le taux de bordure du signal de sortie du composant a été accéléré, la mise à la terre multipoint est devenue une spécification nécessaire, en particulier lorsque la conception utilise des interconnexions d'E / S. Lorsque les PCB utilisent la mise à la terre multipoint, ils sont tous connectés à une structure métallique, à ce stade, nous devons connaître l'espacement entre toutes les lignes de mise à la terre.

La distance entre les lignes de terre ne peut pas dépasser l'îlot / 20 de la fréquence la plus élevée, qui comprend non seulement la fréquence principale, mais aussi la fréquence harmonique. Si le taux de bordure du signal de sortie de l'élément est relativement lent, il est possible de réduire le nombre de points de mise à la terre connectés à la base ou d'augmenter la distance par rapport aux points de mise à la terre. Par example, l'îlot / 20 d'un oscillateur de 64 MHz est de 23,4 cm. Si la distance linéaire entre les deux lignes de masse est supérieure à 23,4 cm, il est possible qu'il y ait une boucle radiofréquence qui pourrait être à l'origine de la propagation de l'énergie radiofréquence.

La disposition des composants dans le PCB doit être correcte. Rapprocher les lignes de masse des différents blocs fonctionnels permet de raccourcir la longueur des traces de signal, de réduire la réflexion et de faciliter le câblage tout en préservant l'intégrité du signal. Il convient d'éviter autant que possible d'utiliser des pores excessifs, car chaque Pore augmenterait l'inductance de la trace d'environ 1 à 3 NH.

De plus, pour éviter le couplage des différentes zones de bande passante, il est nécessaire de diviser convenablement les différents blocs fonctionnels. Les méthodes comprennent: l'utilisation de PCB individuels, l'isolation, le câblage différent... Etc. la Division correcte peut améliorer les performances du circuit, rendre l'enroulement plus facile, raccourcir la longueur des traces et peut réduire la surface de la boucle et améliorer la qualité du signal. Avant le câblage, les ingénieurs doivent planifier quels composants appartiennent à quel bloc fonctionnel, et ces informations peuvent être obtenues auprès du fournisseur de composants.