EMI dans votre conception de PCB haute vitesse : Comprendre le temps de montée du signal

Les enfants d'aujourd'hui n'ont aucune idée de pourquoi le couplage de signaux électromagnétiques entre circuits proches est appelé « diaphonie ». À l'époque où les téléphones se branchaient au mur et n'incluaient ni écran tactile ni accès internet, il était possible d'entendre de faibles murmures d'autres conversations se glisser dans votre ligne téléphonique. Les PCB à haute vitesse rencontrent le même type de problème avec la diaphonie, et cela est lié au comportement des signaux numériques se propageant sur les pistes de la carte.

Comprendre la diaphonie et les interférences électromagnétiques (EMI) en général, que ce soit au sein d'un PCB ou provenant d'une source externe, nécessite de comprendre comment le signal dans une piste interagit avec une autre piste. Si vous pouvez évaluer la diaphonie dans une conception à haute vitesse réelle, il est facile de déterminer comment la conception devrait changer pour réduire les EMI et la diaphonie. Il existe quelques règles de base qui fonctionneront bien sur des conceptions à vitesse modérée, mais il est utile d'utiliser des simulations pour mieux comprendre comment vos conceptions à haute vitesse seront affectées par la diaphonie avant de procéder à une modification de la carte.

Décomposer le Terme « Conception à Haute Vitesse »

Nous l'avons souligné ailleurs sur ce blog, mais cela mérite d'être répété ici : une conception à haute vitesse ne signifie pas une fréquence d'horloge élevée ou un haut débit de données. Les signaux à haute vitesse ont un temps de montée rapide, signifiant une transition rapide entre deux niveaux de tension. Il en va de même pour les signaux à niveaux multiples, où il y a une transition très rapide entre les différents niveaux de signal. Un temps de montée/descente du signal plus rapide peut créer des problèmes d'EMI plus importants, en particulier le diaphonie, dans diverses parties d'un PCB. Cela est vrai même si la fréquence de l'horloge système est assez basse. Une fréquence d'horloge plus rapide signifie simplement que les perturbations dues à l'EMI se produiront plus souvent.

Les principaux problèmes d'EMI dans une conception à haute vitesse incluent :

• Diaphonie, principalement due au couplage inductif à basses fréquences et au couplage capacitif à des fréquences beaucoup plus élevées
• EMI rayonnée, où l'EMI provenant de signaux numériques est rayonnée sur une large gamme de fréquences allant du DC jusqu'à plusieurs harmoniques de l'horloge système
• Glitchs du bus d'alimentation, qui incluent le rebond d'alimentation et le rebond de puissance, créant des ondulations dans l'ondulation DC mesurée entre les rails d'alimentation et la terre
• EMI conduite, où le bruit sur un interconnect est connecté ailleurs dans un autre composant, circuit, ou interconnect, bien que cela soit moins un problème dans les composants numériques

Notez que les mêmes effets se produisent avec le routage de paires différentielles, conduisant à la diaphonie en mode différentiel et l'EMI. Ces aspects de l'EMI dans les PCBs numériques à haute vitesse sont tous liés au temps de montée/descente d'une transition de signal.

EMI et Vitesse de Commutation

Ces aspects sont tous liés à la vitesse de commutation du signal dans un PCB. Ces aspects de l'EMI deviennent difficiles dans la conception à haute vitesse en raison de la bande passante d'un signal numérique typique. La puissance dans un signal numérique est concentrée du DC jusqu'à des fréquences très élevées (techniquement infinies). En particulier, une approximation grossière est que 70% de la puissance est concentrée du DC jusqu'à la fréquence de coupure, qui est égale à environ un tiers de l'inverse du temps de montée/descente du signal (de 10% à 90%).

Densité spectrale de puissance d'un exemple de signal numérique.

Tout cela signifie que, lorsque le temps de montée est plus rapide, l'EMI est plus intense. Puisque vous ne pouvez généralement pas opter pour des composants plus lents dans n'importe quelle situation, les concepteurs doivent prendre quelques mesures simples pour supprimer l'EMI dans une conception à haute vitesse.

Analogique Haute Fréquence vs. Signalisation Numérique Haute Vitesse

De nombreux ingénieurs que j'ai formés par le passé ne considèrent pas les signaux numériques comme des ondes, mais plutôt comme étant soit allumés, soit éteints, où le champ électrique existe partout à travers l'interconnexion qui transporte le signal numérique. Sur des longueurs d'interconnexion très faibles, cela est techniquement correct, mais cela ne signifie pas que les interconnexions courtes présentent plus ou moins d'EMI. La transition du signal en montée crée toujours de l'EMI sur une gamme de fréquences, plutôt qu'à une fréquence unique.

Comparés aux signaux numériques, les signaux analogiques sont simples. Le principal facteur dont vous devez vous préoccuper est la fréquence du signal et le retard de propagation dû à la vitesse finie des ondes électromagnétiques. Une comparaison entre la période d'oscillation (c'est-à-dire l'inverse de la fréquence du signal) et le retard de propagation dans une interconnexion donnée détermine si vous devez vous inquiéter du comportement de la ligne de transmission et si la terminaison de la trace devient critique.

Solutions potentielles : Il n'y a pas de solution miracle

Bien que l'EMI dans le signal numérique à haute vitesse ne puisse pas être complètement éliminé, il peut être supprimé en utilisant plusieurs méthodes :

• Dimensionnement des pistes : Le routage des pistes critiques directement au-dessus d'un plan de masse et l'utilisation de pistes légèrement plus larges réduisent l'inductance de boucle, ce qui diminue la quantité de diaphonie générée et reçue.
• Cuivre à la masse : Une piste reliée à la masse peut être routée entre les pistes agresseur et victime sur le PCB, ce qui peut fournir environ 20 dB de réduction de la diaphonie. Notez que cette piste de masse doit correspondre à la référence de masse pour les pistes agresseur et victime. Un remplissage polygonal relié à la masse peut également être utilisé pour combler l'espace entre les pistes et les différents blocs de circuits.
• Structures d'isolation : Certaines structures uniques sur la couche superficielle d'un PCB peuvent fournir une isolation à des fréquences très élevées. Ces structures peuvent être aussi simples que des murs de cuivre reliés à la masse autour des blocs de circuits critiques, ou des structures à bande interdite électromagnétique utilisées dans les smartphones modernes.
• Couches internes : N'ayez pas peur de router sur les couches internes, mais assurez-vous d'appliquer vos règles de conception de contrôle d'impédance pour garantir que les striplines internes auront l'impédance correcte.

PCB bleu avec des pistes denses

Essayer de supprimer l'EMI dans la conception à haute vitesse en raison du diaphonie présente un certain nombre de défis. Heureusement, vous pouvez vérifier que votre routage ne subira pas de diaphonie excessive lorsque vous utilisez les meilleurs outils de conception de PCB de l'industrie trouvés dans Altium Designer^®. Vous aurez accès aux meilleurs outils de conception et de mise en page de PCB qui aident à automatiser le routage et la documentation de la carte, et vous aurez accès à des outils d'analyse de l'intégrité du signal qui vous aident à concevoir en tenant compte de l'immunité à l'EMI.

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