Interférences électromagnétiques provenant des câbles de PCB flexibles dans les systèmes multiboards

Les câbles de circuits imprimés flexibles sont très utiles pour économiser de l'espace et permettre des applications pliables en électronique. Les câbles de circuits imprimés flexibles permettent également de monter certains circuits, et des fixations uniques à un boîtier sont possibles en incorporant des renforts et des trous de montage. Bien que les circuits imprimés flexibles puissent coûter plus cher qu'une option de câble câblé standard, ils peuvent permettre des applications à plus haute valeur qui compensent définitivement le coût de conception et de fabrication.

Tout comme tout autre interconnexion de carte à carte, les PCB flexibles peuvent rencontrer des problèmes d'EMI. Cela inclut l'EMI rayonnant des connecteurs pour les signaux sur l'interconnexion flexible, ou le câble provenant d'une source externe. La construction unique des câbles flexibles admet des solutions intéressantes qui devraient être considérées pour de nombreux designs, y compris les systèmes militaires et aérospatiaux très robustes. Dans cet article, je passerai en revue certains des facteurs de conception qui abordent les défis EMI dans les câbles de circuits imprimés flexibles.

Utilisation des câbles de circuits imprimés flexibles menant à l'EMI

Les dispositifs utilisant des câbles de circuits imprimés flexibles varient largement en application, allant des dispositifs numériques ultra-compacts aux systèmes hautement robustes pour l'automobile, le militaire et l'aérospatiale. Les câbles de circuits imprimés flexibles se trouvent le plus souvent à l'intérieur du boîtier du dispositif et ne sont pas exposés à l'environnement extérieur. Dans certains produits, comme un produit modulaire, le câble flexible est exposé à l'extérieur du boîtier et aura des caractéristiques d'immunité aux EMI différentes.

Au lieu d'être terminés avec des doigts en or pour un connecteur ZIF/connecteur de bord, les circuits imprimés flexibles pourraient être terminés avec un connecteur standard de carte à carte, et cette terminaison de connecteur pourrait être un point par lequel les EMI, comme une impulsion ESD, peuvent entrer dans votre système. Après avoir pris conscience de ces facteurs de risque pour les EMI, il existe certaines pratiques de conception qui peuvent être utilisées pour supprimer ou prévenir les EMI dans un circuit imprimé flexible.

Mise à la terre en hachures et densité de hachures

L'un des principaux défis avec les cartes de circuits flexibles supportant des vitesses élevées ou de haute puissance est qu'elles ne peuvent pas utiliser de plans solides. Pour les câbles flexibles qui acheminent de l'énergie, cela signifie souvent plusieurs couches de cuivre qui sont hachurées, car cela permettra au câble flexible d'être formé et plié selon les besoins tout en fournissant la capacité de transport de courant requise. Dans le cas du routage de signaux, un plan de masse hachuré est nécessaire pour définir l'impédance des traces et réduire les émissions rayonnées des lignes de signal.

Si un câble flexible subit trop de diaphonie ou capte trop d'EMI externes, un hachurage de masse plus serré peut être nécessaire. Réduire l'ouverture du hachurage augmentera la quantité de cuivre par unité de surface, et cela augmentera la capacité de blindage de la couche de plan. Malheureusement, les exigences en matière de puissance et les exigences de bande passante pour les signaux à haute vitesse pourraient devenir si élevées qu'un câble flexible ne sera plus utile, et un câble câblé standard sera nécessaire.

Quel facteur de remplissage de cuivre par rapport à l'ouverture de hachure devrait être utilisé dans un plan hachuré ? Il est très difficile de faire des déclarations généralisées car cela dépend de la manière dont la hachure est utilisée. La hachure peut être utilisée comme masse pour les signaux numériques et pour fournir un contrôle d'impédance, auquel cas l'ouverture de masse hachurée devrait être plus petite qu'une certaine fraction de la distance de propagation du signal pendant son temps de montée. Dans le cas de l'alimentation et de la masse, l'ouverture de hachure ne devrait pas être si grande qu'elle réduit de manière significative la capacité de transport de courant du câble flexible. Des simulations sont souvent nécessaires pour caractériser l'impédance, la résistance en continu et la gestion thermique des plans hachurés.

Une simulation d'impédance de plan hachuré montre la périodicité de la hachure, ce qui peut permettre à l'EMI haute fréquence d'être reçue par ou émise depuis le câble PCB flexible.

Rayonnement des connecteurs d'accouplement

Les transitions de signal à travers les connecteurs d'accouplement peuvent être des sources d'émissions rayonnées, ce qui peut se produire dans les connecteurs montés en surface, les connecteurs ZIF pour doigts plaqués et les connecteurs à broches traversantes. Les câbles flexibles utilisés pour les interconnexions numériques à haute vitesse peuvent certainement avoir des problèmes avec les émissions rayonnées provenant des connecteurs d'accouplement, principalement en raison du manque de masse suffisante dans le brochage du connecteur. Les interconnexions flexibles transportant de l'énergie peuvent également être des sources d'émissions pour plusieurs raisons. Certaines des raisons courantes pour lesquelles les connecteurs d'accouplement conduisent à des émissions sont :

• Le désaccord d'impédance vu par les signaux à très haute vitesse
• Le bruit en mode commun sur les pistes, qui rayonne du câble flexible
• Le filtrage insuffisant permettant au bruit de commutation de se propager sur un câble
• Le manque de masse dans le brochage du connecteur
• L'utilisation incorrecte d'un blindage de câble sur un connecteur blindé
• La connexion d'un blindage de connecteur à la masse du système plutôt qu'à la masse de l'anneau de châssis

Ce connecteur d'accouplement pour un câble flexible peut être une source d'émissions rayonnées, typiquement en raison du manque de masse ou des réflexions de signal.

Pour aider à assurer une référence de masse avec une bonne couplage pour les signaux et l'alimentation, attribuez quelques broches sur le connecteur à la masse des deux côtés de l'interface d'accouplement. Cela permettra de relier la masse à travers l'interconnexion flexible et garantira que les signaux ne traversent pas les séparations dans les conducteurs de référence. En ce qui concerne le blindage sur les connecteurs, ceux-ci ne sont souvent pas exposés à l'environnement extérieur, et donc une conception de câble flexible peut ne pas bénéficier de l'utilisation de connecteurs blindés à l'intérieur d'un boîtier.

Filtrage sur les lignes de signal et d'alimentation de câble flexible

Tout comme c'est le cas dans les systèmes de PCB rigides et de câbles, le filtrage peut être utilisé sur les entrées et sorties pour adresser les EMI rayonnées et conduites. En réduisant les émissions conduites sur un câble flexible, les EMI rayonnées peuvent également être réduites une fois que le bruit se propage à une interface d'accouplement insuffisamment mise à la terre. Des options de filtrage sont disponibles, soit directement sur un câble flexible, soit sur une section rigide avec un renfort :

• Chokes SMD pour le bruit en mode commun
• Modules de filtrage d'ordre supérieur
• Filtres RC ou LC construits à partir de composants discrets
• Ferrites sur les lignes de puissance DC ou les signaux DC

J'apprécie particulièrement l'option des modules de filtrage, surtout pour l'alimentation fournie à l'entrée ou à la sortie d'un câble flexible. Ces modules peuvent offrir un filtrage d'ordre supérieur avec une coupure abrupte dans la gamme des kilohertz, les rendant très utiles pour éliminer le bruit du courant continu. Un exemple d'un module de Murata dans un projet de convertisseur flyback d'Altium Designer est montré ci-dessous.

Module de filtrage Murata (PN : BNX026H01L) qui fournit un filtrage passe-bas d'ordre supérieur, principalement pour les interconnexions de courant continu.

Striplines avec Plans Hachurés

En raison des ouvertures dans les plans hachurés, les structures n'auront pas une efficacité de blindage extrêmement élevée contre les IEM. Lorsque les signaux sont trop sensibles ou que leurs taux de transition sont si rapides que le plan hachuré a du mal à contenir le champ électromagnétique, créer une configuration de stripline avec des plans hachurés peut être une solution. Placez un plan hachuré au-dessus et en dessous de la couche de signal pour créer la structure de stripline. La meilleure façon de maximiser l'efficacité du blindage est de décaler légèrement les structures hachurées de sorte que le cuivre solide dans un plan hachuré chevauche les ouvertures de hachure dans l'autre plan.

À un certain moment, les signaux dont les taux de transition sont inférieurs à une nanoseconde deviennent tellement rapides que la structure de hachurage ne parvient plus à maintenir l'intégrité du signal et laisse passer trop d'EMI rayonnées. À ce stade, un câble sera la meilleure option. Ces interconnexions ont tendance à être différentielles, ce qui est utile pour contenir le bruit. Les fournisseurs de connecteurs proposent plusieurs options qui assurent une propagation de signal différentiel à large bande passante avec une adaptation d'impédance sur les surfaces d'accouplement des connecteurs. Vérifiez la spécification du débit de données sur les connecteurs d'accouplement pour vous assurer qu'ils supporteront vos besoins en intégrité de signal et en CEM.

Les câbles à haute vitesse Samtec AcceleRate^® sont nécessaires une fois que les taux de données et les exigences de bande passante des canaux deviennent trop importants.

En conclusion, les câbles flexibles peuvent fonctionner avec la même performance que les câbles filaires du point de vue de l'EMI tant que les signaux ne sont pas trop rapides. Cela nécessite également une conception de brochage appropriée pour assurer une connectivité constante du conducteur de référence sur toutes les surfaces d'accouplement et à travers le câble flexible. Les filtres peuvent également être utiles pour des sources de bruit spécifiques, l'alimentation en courant continu et certains signaux qui peuvent également transporter du bruit en mode commun.

Les signaux à haute vitesse à terminaison unique avec des exigences de contrôle d'impédance peuvent ne pas être la meilleure option pour une utilisation dans des câbles flexibles. Cependant, les paires différentielles peuvent être utiles grâce à leurs émissions rayonnées plus faibles, même lorsque la masse est rare comme dans le cas d'un plan de masse hachuré. Dans ce cas, les paires différentielles peuvent nécessiter un espacement plus proche que ce qui serait typiquement utilisé dans un PCB rigide, car cela réduira les variations d'impédance sur le plan de masse hachuré.

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