Maîtriser le contrôle des interférences électromagnétiques dans la conception de PCB : Placement des composants pour la CEM

Dario Fresu
|  Créé: Septembre 11, 2024  |  Mise à jour: Septembre 30, 2024
Maîtriser le contrôle des interférences électromagnétiques dans la conception de PCB : Placement des composants pour la CEM

Dans ce deuxième article de la série Maîtriser le contrôle des interférences électromagnétiques (EMI) dans la conception des PCB, nous allons approfondir l'un des concepts clés pour maintenir de faibles niveaux d'interférences électromagnétiques (EMI).

La ségrégation des cartes, également connue sous le nom de partitionnement des cartes, est une méthode utilisée pour organiser les différentes parties du circuit d'une carte de circuit imprimé (PCB) afin de les garder séparées. Cela améliore la performance globale de la carte, particulièrement en termes d'EMI. Cette technique aide non seulement à réduire les interférences électromagnétiques mais améliore également l'intégrité du signal de la conception du PCB.

Les principes derrière ces techniques incluent :

  1. Contenir le contenu énergétique élevé des signaux numériques à haute fréquence.
  2. Éviter le couplage d'impédance commune entre différents types de circuits au sein de la carte.
  3. Réduire les zones de boucle de courant pour diminuer les émissions et améliorer l'immunité aux interférences externes.

Signaux à haute vitesse vs. à basse vitesse et leurs harmoniques

Le premier concept implique de contrôler le contenu harmonique à haute énergie produit par les signaux commutant rapidement et la rapidité avec laquelle leur courant change au fil du temps. Un taux de changement de courant plus élevé résulte en une plus grande énergie harmonique dans les signaux, augmentant la probabilité de rayonnement.

Le deuxième concept est que le courant de retour d'un signal varie avec la fréquence du signal. Cela est dû au fait que l'impédance qu'un signal rencontre lors de sa propagation ne consiste pas seulement en la résistance des conducteurs, mais aussi en leur capacité et, plus important encore, en leur inductance de boucle. À mesure que la fréquence du signal augmente, la composante inductive de l'impédance (qui dépend de la fréquence) devient plus importante.

Différences dans les chemins de retour

Étant donné que le courant cherche toujours le chemin de moindre impédance, il est important de comprendre qu'à mesure que la fréquence du signal augmente, le courant de retour suit de près le courant du signal pour minimiser la boucle inductive. Inversement, à de basses fréquences de signal, où l'inductance devient petite, la composante résistive de l'impédance devient prédominante.

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À ce stade, le courant de retour se répand sur toute la surface du conducteur pour trouver le chemin de moindre résistance. Le point critique pour les concepteurs de PCB est que le chemin de retour du courant vers la source dépend de la fréquence du signal.

Example of different return current path based on frequency in Altium Designer

Figure 1 - Exemple de chemin de courant de retour différent basé sur la fréquence dans Altium Designer

Notre travail en tant que concepteurs de PCB est de minimiser les interférences entre ces courants de retour pour éviter le couplage par impédance commune, qui peut conduire à des émissions électromagnétiques. Pour y parvenir, nous pouvons créer des zones ou sections spécifiques dans le PCB, chacune dédiée à un type particulier de circuit. Cela réduit également les boucles de courant, menant à moins de rayonnement de la part des courants en mode différentiel.

Il peut sembler tentant de créer une séparation dans le Plan de Référence de Retour (RRP) pour isoler davantage les chemins de courant de retour de différents circuits. Cependant, cette approche ne suit pas les meilleures pratiques pour la CEM car elle crée une différence de tension entre deux zones métalliques, formant une structure semblable à une antenne qui peut causer des émissions électromagnétiques.

Example of an incorrect plane split in Altium Designer

Figure 2 - Exemple d'une séparation incorrecte de plan dans Altium Designer

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La solution est de mettre en œuvre un plan de référence de retour solide, à faible impédance, qui permet au courant de retour de trouver le chemin préféré de retour à la source. Ce plan ne doit avoir ni coupures, ni séparations, ni grands écarts qui peuvent agir comme sources de bruit en mode commun. Le placement des composants devrait ensuite être divisé en sections distinctes en distribuant les composants en fonction de leur type de circuit et de fonction.

Pour une carte à signaux mixtes, la ségrégation typique consiste à diviser la carte en une section numérique, une section d'alimentation, une section analogique, une section d'entrée/sortie et, lorsque cela est nécessaire, une section de filtrage. La section numérique, par exemple, doit être placée loin des autres composants. Bien que le courant de retour suive de près les pistes de signal, l'énergie élevée dans le contenu harmonique des signaux se rayonnera plus efficacement et pourrait se coupler avec d'autres sections de la carte.

Un exemple de cela est lorsque le signal d'horloge se couple à d'autres réseaux dans d'autres parties de la carte, telles que les sections d'alimentation et analogiques, qui peuvent avoir des câbles connectés à elles agissant comme des antennes, favorisant les émissions.

Structures d'Antenne avec Câbles

La section d'entrée/sortie est cruciale, non seulement pour limiter l'injection de bruit dans les câbles, mais aussi pour permettre une isolation supplémentaire grâce à des techniques de filtrage et de blindage pour réduire les interférences externes ou limiter les émissions de bruit de la carte. La disposition doit prendre en compte les câbles et les dispositifs ou structures environnants. La section numérique doit être placée loin de cette zone d'entrée/sortie, idéalement à l'intérieur de la carte, loin des bords, pour éviter de coupler le contenu harmonique à haute énergie aux câbles ou de rayonner depuis les bords.

Example of an incorrect plane split in Altium Designer

Figure 3 - Exemple d'une séparation de plan incorrecte dans Altium Designer

De plus, il est recommandé de placer tous les câbles d'entrée et de sortie sur un côté de la carte au lieu de plusieurs bords, évitant ainsi les différences de tension entre les câbles et empêchant la formation de structures semblables à des antennes qui peuvent favoriser la radiation des signaux numériques ou du bruit.

Conclusion

En suivant ces recommandations, vous pouvez réduire efficacement les émissions rayonnées et limiter le couplage des interférences externes dans votre conception.

Dans le prochain article, nous explorerons comment sélectionner l'empilement de PCB optimal pour améliorer la performance EMI et réduire le risque. Assurez-vous de suivre nos pages et réseaux sociaux pour plus d'aperçus.

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A propos de l'auteur

A propos de l'auteur

Dario Fresu est un ingénieur électronicien et un concepteur certifié IPC avec une vaste expérience auprès de petites et grandes entreprises, ainsi que d'une université de premier plan à l'échelle mondiale. Issu d'une famille impliquée dans le domaine électrique et électronique depuis quatre générations, Dario a été exposé à cette industrie depuis son enfance, développant une passion pour elle bien avant qu'elle ne devienne sa profession.


Il est le propriétaire et fondateur de fresuelectronics.com, où il fournit des consultations d'expert, ainsi que des services de marketing et de conception liés à la conception de PCB et d'EMC. Il se concentre particulièrement sur la réussite du premier coup pour les EMI et EMC, ainsi que sur la conception numérique embarquée.
Sa connaissance approfondie et son approche pratique garantissent que les conceptions sont à la fois efficaces et conformes aux normes de l'industrie.


En plus de son travail de consultant, Dario dirige des académies de conception de PCB où il partage son expertise et sa passion avec des milliers d'ingénieurs et d'étudiants. À travers ces académies, il fournit une formation complète qui couvre les dernières techniques et les meilleures pratiques en matière de conception de PCB, permettant aux ingénieurs de créer des produits innovants et fiables.

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