Maîtrise du contrôle des interférences électromagnétiques dans la conception de PCB : Prévention du diaphonie pour une meilleure EMI

Bienvenue dans le sixième article de la série, Maîtriser le contrôle des interférences électromagnétiques (EMI) dans la conception de PCB. Dans cet article, nous explorerons comment le diaphonie peut affecter à la fois l'intégrité du signal et les EMI, et discuterons des mesures à prendre pour aborder ce problème dans nos conceptions.

Figure 1 - Exemple de conception de PCB dans Altium Designer^®

La diaphonie est l'un des problèmes les plus fréquemment rencontrés dans les conceptions modernes de Carte de Circuit Imprimé (PCB). Alors que la densité des PCB continue d'augmenter, ce phénomène devient encore plus prévalent. La tendance à intégrer davantage d'interfaces à haute vitesse dans des zones toujours plus petites de la carte exacerbe le défi, car les agencements compacts conduisent à une proximité plus étroite entre les pistes, ce qui augmente significativement la probabilité de diaphonie.

En essence, la diaphonie des signaux se réfère au transfert non intentionnel d'un signal électrique d'une nette (ou piste) à une autre. Cela se produit lorsque le champ électromagnétique généré par un signal se déplaçant le long d'une piste interagit avec une piste adjacente. Dans ce contexte, la piste portant le signal original est communément appelée le "Agresseur", tandis que la piste qui reçoit le signal indésirable est connue sous le nom de "Victime".

Figure 2 - Exemple de comment la diaphonie peut se manifester dans un circuit

Dans le domaine de l'interférence électromagnétique (EMI), le diaphonie devient très important car il peut non seulement être la cause d'interférences au sein d'un système, mais il peut également devenir la source d'émissions électromagnétiques qui perturbent d'autres dispositifs. Ce qui est important à comprendre concernant la diaphonie, c'est qu'elle ne se produit pas seulement entre les pistes de signal, où le courant du signal se propage, mais elle se produit également au niveau des conducteurs de référence de retour, où le courant de retour s'écoule vers sa source. C'est là que des phénomènes tels que « rebond de masse » se produisent, qui est également un cas de diaphonie qui se produit dans le conducteur de référence de retour.

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Comprendre la Diaphonie et ses Effets

Le phénomène de diaphonie se produit pour deux raisons principales : le couplage capacitif et le couplage inductif entre les conducteurs. Lorsque deux pistes ou plus sont tracées trop près l'une de l'autre, et lorsqu'une tension de signal et un courant changent dans le temps, les champs de bord (champs électriques et magnétiques) aux bords des pistes de signal (appelées l'Agresseur) peuvent se coupler aux pistes à proximité (les Victimes), résultant en un bruit indésirable sur ces pistes à proximité.

Le travail du concepteur de PCB, en termes de réduction de la diaphonie et de réduction efficace de l'EMI, est de minimiser les effets que ces champs de bord ont sur d'autres conducteurs, de sorte que le bruit ne se propage pas d'une piste à une autre.

Figure 3 - Exemple de couplage inductif et capacitif entre les pistes de signal

En termes d'EMI, cela devient un problème lorsque le bruit génère des émissions soit à partir des pistes du PCB, soit à partir des fils connectés à ces pistes, ou des conducteurs.

Types de Diaphonie

Lorsqu'on traite de la diaphonie, il est également important de distinguer deux types : Diaphonie en Proche Extrémité (NEXT) et Diaphonie en Extrémité Éloignée (FEXT).

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Diaphonie en Proche Extrémité, également appelée NEXT, est le type de diaphonie qui se produit à la même extrémité de la ligne de transmission où le signal est transmis. Essentiellement, c'est l'interférence captée par un conducteur proche à l'extrémité émettrice du circuit.

Diaphonie en Extrémité Éloignée, ou FEXT, fait référence à la diaphonie qui se produit à l'extrémité opposée de la ligne de transmission d'où le signal est transmis. C'est l'interférence captée par un conducteur proche à l'extrémité réceptrice du circuit. La différence clé est que la NEXT se produit près de l'extrémité source, tandis que la FEXT se produit près de l'extrémité de destination. La NEXT se produit dans la direction inverse de la propagation du signal (direction arrière), tandis que la FEXT se produit dans la direction de la propagation du signal (direction avant).

Exemples pratiques et stratégies de disposition dans Altium Designer^®

Sans entrer trop profondément dans les complexités du crosstalk de signal, qui pourrait remplir toute une série, il existe plusieurs façons de réduire ses effets. La plupart de ces techniques dépendent de la manière dont nous concevons la disposition du PCB, ce qui signifie que la manière dont nous concevons géométriquement le PCB devient très importante. Les moyens les plus efficaces de réduire le crosstalk sont, en fait, liés à la manière dont nous disposons les conducteurs les uns par rapport aux autres sur le PCB.

L'une des premières stratégies que nous pouvons utiliser est d'augmenter l'espace entre les conducteurs afin que les champs électriques et magnétiques ne se couplent pas entre eux.

Figure 4 - Exemple d'espacement des pistes de signal avant et après l'amélioration

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Une autre technique que nous pouvons utiliser est de réduire l'espace entre les pistes de signal et le plan de référence de retour. Cela couplera étroitement les champs de signal avec leurs plans de référence de retour, réduisant la propagation de ces champs vers d'autres conducteurs.

De plus, réduire la longueur des deux conducteurs, le conducteur de signal et le conducteur de référence de retour, réduira la quantité de couplage entre différents réseaux. Cela est également intuitif, car moins le conducteur est exposé, moins le bruit a de chances de se coupler avec d'autres conducteurs.

Figure 5 - Vue 3D de plans de référence de signal et de retour couplés étroitement avec Altium Designer^®

Une autre méthode courante pour réduire le diaphonie, qui est efficacement appliquée aux circuits intégrés, connecteurs et pistes de PCB, consiste à fournir plusieurs conducteurs pour le chemin de retour de différents signaux.

Cela signifie, par exemple, utiliser plusieurs chemins de retour lors de l'utilisation de câbles ruban ou d'autres connecteurs, au lieu d'utiliser un seul conducteur de retour pour plusieurs réseaux de signaux.

Stratégies de simulation avec Altium Designer^®

Au lieu de se fier à des suppositions éclairées concernant la diaphonie dans notre agencement de circuit, il est important d'utiliser des outils avancés pour des calculs précis.

La fonctionnalité d'Intégrité du Signal intégrée dans Altium Designer^® est un outil puissant à cette fin. Cette fonctionnalité nous permet de simuler et d'analyser la diaphonie à travers les pistes de PCB, permettant des prédictions précises et une compréhension plus approfondie des niveaux de diaphonie. En utilisant cet outil, nous pouvons affiner et optimiser notre conception avec une plus grande précision.

Figure 6 - Exemple de simulation de diaphonie utilisant Altium Designer^®

L'outil d'intégrité de signal fournit des simulations détaillées qui nous aident à évaluer divers compromis de conception. Comprendre ces compromis est essentiel pour minimiser les interférences et atteindre une performance optimale. Les informations obtenues grâce à cet outil sont bien plus fiables que celles obtenues par de simples suppositions.

Figure 7 - Exemple d'évaluation du diaphonie utilisant l'outil d'intégrité de signal dans Altium Designer

Exploiter cet outil avancé nous aide à prendre des décisions éclairées, en équilibrant les besoins de performance avec les contraintes de disposition. Cette approche améliore à la fois la fiabilité et la fonctionnalité de notre circuit, en améliorant l'intégrité du signal et la performance EMI tout en augmentant l'efficacité globale de la conception.

Conclusion

En conclusion, pour réduire efficacement le diaphonie du signal et améliorer la performance EMI de nos cartes PC, nous disposons de plusieurs stratégies. L'utilisation de l'outil d'intégrité de signal intégré d'Altium Designer est indispensable pour prédire et atténuer avec précision la diaphonie dans nos agencements de PCB. Cet outil nous permet de prendre des décisions basées sur des données, assurant que nos conceptions répondent aux spécifications requises et fonctionnent de manière fiable dans diverses conditions.

Si vous avez manqué l'un des articles précédents de la série complète "Maîtriser le contrôle de l'EMI dans la conception de PCB", nous vous encourageons vivement à visiter les pages Altium pour rattraper tout le contenu instructif.

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