Suivez votre chemin de retour à la masse multicouche pour prévenir les interférences électromagnétiques (EMI)

Revenir sur le chemin vers la masse peut rapidement devenir complexe dans un PCB multicouche compliqué. Lorsque votre PCB possède un petit nombre de couches (par exemple, une carte à 4 couches avec deux couches planes), il devient assez facile de déterminer le chemin de retour et de le concevoir délibérément pour prévenir les interférences électromagnétiques (EMI). La situation se complique lorsque vous travaillez avec un nombre de couches plus élevé. Plusieurs couches planes et conducteurs peuvent former le chemin de retour à la masse, même si le conducteur n'est pas mis à la terre. C'est là qu'il est utile de distinguer entre les plans de masse et les plans de référence, car les deux peuvent faire partie du chemin de retour dans votre PCB.

Chemin de Retour à la Masse vs. Plans de Référence

Les plans de référence sont une partie inhérente du chemin de transmission du signal. Qu'ils soient placés intentionnellement dans votre carte, comme un plan de masse pour les pistes de signal, ou un plan de référence non intentionnel qui se trouve à proximité des pistes de signal, il peut être difficile de déterminer si vous ne suivez pas attentivement l'emplacement des pistes de signal à travers votre carte. Le chemin de retour à la masse pour un signal peut ne pas réellement passer par la masse ; il pourrait passer par le châssis, un plan d'alimentation, ou un autre conducteur mis à la terre.

Peu importe où se trouve le chemin de retour sur votre carte, il essaiera toujours de revenir au point de potentiel bas sur la carte, c'est-à-dire, le point de retour à la terre vers l'alimentation électrique. Que le signal de retour soit induit dans votre châssis, plan d'alimentation ou autre conducteur, il sera attiré vers la terre en raison de la différence de potentiel entre votre conducteur de terre et un conducteur maintenu à un potentiel plus élevé.

Outre le fait d'être une caractéristique du ringing lors de la propagation d'un signal, le chemin de retour d'un signal détermine le comportement suivant :

• Susceptibilité aux IEM. L'inductance de boucle créée par un chemin de retour détermine la susceptibilité d'un circuit aux IEM. Un circuit avec une grande boucle de courant aura une inductance parasitaire plus grande, le rendant plus susceptible aux IEM rayonnés. L'inductance de la boucle est plus faible lorsque la boucle est plus serrée. C'est une des raisons pour lesquelles les pistes de signaux à haute vitesse doivent être routées près d'un plan de référence sur une couche adjacente.

• Interférence dans les cartes à signaux mixtes. La capacité parasite entre un conducteur portant un signal et son conducteur de référence le plus proche, ainsi que la boucle créée par le circuit, déterminent la réactance vue par un signal de commutation. Étant donné que la réactance est une fonction du contenu en fréquence de votre signal, le chemin de retour du signal devient plus difficile à prévoir à des fréquences modérées. Lisez ce guide pour en savoir plus sur la conception d'un chemin de retour de signal mixte pour une couche plane unique.

• Chemin du bruit en mode commun. Une fois induit dans une trace donnée, le bruit en mode commun essaiera de suivre le même chemin que votre signal pour retourner à la terre. Le chemin de retour à la terre exact suivi par le bruit en mode commun dépend de son contenu en fréquence car cela détermine la réactance vue par le signal.

La situation devient plus compliquée lorsque nous effectuons du routage dans un empilement multicouche avec plusieurs couches planes car le conducteur de référence peut changer le long du chemin du signal. Les principales quantités qui déterminent le plan de référence initial sont la capacité parasite entre la trace du signal et le conducteur proche et l’inductance du circuit. Notez que l'impédance parasite n'est pas localisée aux conducteurs adjacents grâce à l'inductance, ce qui peut créer un chemin de retour à la terre compliqué dans une carte multicouche.

Pouvez-vous suivre le chemin de retour à la masse pour ces pistes ?

Retour à un chemin de retour à la masse solide

Si vous avez lu ce que j'ai écrit ci-dessus et que vous vous demandez encore ce qui arrive au courant de retour dans un PCB complexe, vous vous demandez probablement : que se passe-t-il lorsque le courant est couplé à un plan de masse ou à un autre conducteur relié à la masse ? Pourquoi cela se produirait-il en premier lieu ? Les deux questions sont valides.

Parasites entre conducteurs adjacents

Abordons d'abord la seconde question car cela aide à expliquer la réponse à la première question. L'endroit où le chemin de retour est introduit dépend de la capacité entre la trace de signal et les conducteurs adjacents, ainsi que de l'auto-inductance pour le circuit formé par la trace de signal et le conducteur en question. Ensemble, ces quantités déterminent l'impédance vue par le signal.

Le chemin avec l'impédance la plus faible (notez que ce chemin peut passer à travers le substrat ou à travers l'air !) est la direction que suit le courant de retour. Il se trouve juste que le chemin qui présente l'impédance la plus faible (c'est-à-dire, le couplage le plus fort) entre la trace de signal et le conducteur candidat se trouve être le conducteur le plus proche car ce chemin offre généralement la plus grande capacité et la plus petite inductance.

Planes d'alimentation comme chemin de retour à la masse

Cela explique pourquoi un plan d'alimentation peut agir comme conducteur de référence s'il est plus proche d'une trace de signal donnée que le plan de masse le plus proche. L'impédance capacitive/inductive entre le plan d'alimentation et la trace de signal peut être bien plus grande que ces valeurs entre la trace et son plan de masse le plus proche. L'histoire que nous avons racontée ici décrit efficacement comment un signal peut changer de plans de référence lorsqu'il traverse plus d'une couche dans un PCB multicouche.

Exemple de chemin de retour pour un signal traversant un plan d'alimentation dans un PCB multicouche.

Maintenant, pour une troisième question : comment un signal de retour couplé à un plan d'alimentation revient-il à un chemin de retour à la masse ? Le plan d'alimentation et la couche du plan de masse auront une certaine capacité interplan, ce qui permet au courant de retour de se coupler de nouveau dans le plan de masse. Dans le cas où des condensateurs de découplage sont connectés entre un port d'alimentation et le plan de masse, ils contribueront également à une certaine impédance capacitive et inductive pour un signal de retour induit dans le plan d'alimentation.

Le concepteur avisé doit comprendre que, en général, il ne faut pas router au-dessus d'un plan d'alimentation à moins de pouvoir garantir un couplage à faible impédance avec le GND pour le chemin de retour, particulièrement dans les cartes à haute vitesse/haute fréquence. Vous devriez toujours concevoir votre carte en tenant compte du chemin de retour afin de réduire l'EMI. Typiquement, le chemin de retour lors du routage au-dessus d'un plan PWR serait fourni par des découplages proches, des vias reliant les régions de masse, ou par un courant de déplacement couplé capacitivement du plan PWR au plan GND. Le danger ici est que le chemin de retour est difficile ou impossible à suivre à travers la carte, surtout dans les empilements à 4 couches, ce qui créera une forte source d'EMI en raison de la création d'une grande boucle de courant et/ou d'un chemin de retour à haute impédance.

Les puissants outils de conception de PCB dans Altium Designer^® incluent maintenant un outil de vérification du chemin de retour à la terre intégré au moteur DRC. Cela vous permet de définir des limites sur l'écart entre une piste et son plan de référence le plus proche comme une règle de conception. Ceci est ensuite vérifié automatiquement par les fonctionnalités de routage dans Altium Designer au fur et à mesure que vous créez votre couche. Vous disposerez également d'un ensemble complet d'outils pour analyser l'intégrité du signal et préparer les livrables pour votre fabricant.

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