Comment réduire la capacité parasite dans une disposition de PCB

Le bruit dans un système électronique peut prendre de nombreuses formes. Qu'il soit reçu d'une source externe ou qu'il se transfère entre différentes régions d'un agencement de PCB, le bruit peut être reçu involontairement par deux méthodes : la capacité parasite et l'inductance parasite. L'inductance parasite est assez simple à comprendre et à diagnostiquer, tant du point de vue du diaphonie que du couplage de bruits apparemment aléatoires entre différentes sections d'une carte.

La capacité parasite n'est pas nécessairement plus difficile à traiter, mais elle nécessite de comprendre comment la géométrie de l'agencement du PCB affectera la capacité mutuelle. Dans les systèmes fonctionnant à haute fréquence ou là où des noeuds à haute dV/dt peuvent créer un couplage de bruit capacitif, certains choix simples d'agencement de PCB peuvent vous aider à réduire les parasites. Dans cet article, je décrirai de manière générale comment réduire la capacité parasite et fournirai quelques exemples dans le routage haute fréquence, ainsi que dans un convertisseur à découpage.

Identifier et Réduire la Capacité Parasite

Bien qu'il n'existe pas de formule unique pour la capacité parasite, elle a une définition générale :

• La capacité parasite est la capacité involontaire (et généralement indésirable) qui existe entre deux structures conductrices séparées par un isolant.

Parfois, cette capacité non intentionnelle est en fait bénéfique, et dans de tels cas, nous n'utilisons pas le terme « parasitaire » pour la décrire. Prenons l'exemple d'une paire de plans d'alimentation et de masse ; cette structure simple aide à fournir un grand réservoir de charge pour soutenir les composants à haute vitesse avec un nombre élevé d'E/S en raison de sa capacité inhérente. Un autre exemple serait dans un guide d'onde coplanaire, où vous profitez essentiellement de la capacité parasitaire pour régler l'impédance de l'interconnexion à une valeur requise.

Dans un PCB, la capacité parasitaire peut apparaître essentiellement n'importe où. Regardez la mise en page ci-dessous ; j'ai indiqué quelques zones où la capacité parasitaire est proéminente. Cela montre seulement la capacité générée sur la couche supérieure, mais il pourrait y avoir de la capacité sur n'importe quelle couche.

Tout comme la définition ci-dessus le suggère, la capacité parasitaire apparaît entre toute paire de conducteurs séparés par un diélectrique, et nous pouvons rapidement identifier de multiples zones où apparaît la capacité parasitaire dans l'exemple ci-dessus. Chaque fois que vous avez une capacité parasitaire dans une mise en page de PCB, elle peut apparaître de deux manières :

• Comme capacité propre, qui se présente comme une capacité indésirable élevée entre un conducteur et un autre conducteur (généralement GND).
• Comme la capacité mutuelle entre deux structures conductrices qui sont chacune référencées à une 3ème structure conductrice ; c'est effectivement la forme de capacité qui provoque le couplage capacitif entre deux pistes.

Pourquoi une forte capacité parasite est-elle importante ? Cela importe parce que, chaque fois qu'il y a un potentiel changeant entre deux conducteurs couplés capacitivement, cela provoque un certain courant de déplacement à circuler sur chaque conducteur. C'est une forme de diaphonie que les concepteurs devraient connaître. Typiquement, lorsqu'un signal de commutation induit son signal sur une trace victime, nous l'appelons diaphonie, mais le même mécanisme peut induire du bruit sur toute autre structure lorsqu'il y a une certaine capacité parasite.

Bien que vous ne puissiez jamais totalement l'éliminer, il y a des cas où il est bénéfique d'essayer de la réduire. Pour voir quelques stratégies sur comment réduire la capacité parasite, il est utile de regarder quelques exemples.

Exemple : Nœuds à haut dV/dt dans un régulateur à découpage

La partie exemple d'un régulateur ci-dessous illustre où se trouverait un nœud avec un fort dV/dt, ainsi que pourquoi cette disposition aura une plus grande couplage vers sa boucle de rétroaction plutôt que vers d'autres parties proches du système. Dans un régulateur à découpage, le nœud dV/dt apparaît sur la sortie de l'étage de commutation, mais avant l'étage de redressement/filtrage. Dans l'exemple ci-dessous, le nœud SW_OUT est notre nœud à haut dV/dt piloté par un signal PWM.

Ce nœud a une certaine capacité parasite avec la région de terre à proximité. S'il y avait d'autres composants ou circuits à proximité, la capacité parasite avec ces circuits causerait l'apparition de bruits de commutation dans ces circuits. La terre à proximité est d'une certaine aide, mais ce qui empêche réellement le couplage de bruit est le condensateur connecté de SW_OUT retour au circuit intégré du régulateur. Ce gros condensateur fournit un chemin à faible impédance pour le bruit de commutation à haut dV/dt retour vers le côté haut de l'étage de commutation, ce qui découple efficacement la sortie de l'étage de commutation de GND.

L'autre stratégie qui aide à réduire la capacité parasite entre SW_OUT et une trace ou un circuit proche consiste à tirer parti du plan de masse GND sur la couche suivante. Rapprocher le plan de masse GND du nœud à fort dV/dt réduira la capacité mutuelle en créant un couplage plus fort du champ électrique au GND par rapport au couplage avec un autre nœud dans la disposition du PCB. En d'autres termes, vous préféreriez un diélectrique plus fin entre L1 et L2 dans cette carte.

Exemple : Capacité Mutuelle Entre Deux Traces

Le couplage capacitif est l'un des deux types de couplage (l'autre étant inductif) entre les traces, où un signal sur une trace peut créer du bruit sur une autre trace. À des fréquences de plus en plus élevées, cela est dominé par la capacité mutuelle. Dans une disposition de PCB, en supposant que vous avez routé au-dessus d'une région GND comme le recommande la meilleure pratique, vous avez essentiellement deux options pour réduire ce type de capacité parasite :

• Rapprochez la masse des pistes tout en rendant les pistes plus étroites (impédance cible fixe)
• Augmentez l'espacement entre les pistes

Pratiquement toutes les recommandations que vous trouverez sur la réduction de la diaphonie recommanderont l'option #2, mais l'option #1 est en réalité tout aussi efficace. Cela est dû au fait qu'elle rapproche la charge/le courant image dans le plan de GND plus près de la piste. Ce que vous ne devriez pas faire, c'est essayer quelque chose comme une piste de garde court-circuitée car cela créera une capacité parasite indésirable vers GND, et cela peut en fait augmenter la diaphonie dans certaines configurations.

Résumé

Pour la forme auto-capacitive de la capacité parasite, vous devrez séparer les conducteurs ou rendre les conducteurs plus petits. Pour la forme mutuellement capacitive de la capacité parasite, vous devez réduire le couplage en augmentant les capacités propres bien au-delà de la capacité mutuelle. Dans l'exemple ci-dessus, nous avons vu que le simple fait de rapprocher le plan de masse de nos pistes mutuellement capacitives réduit grandement leur capacité mutuelle sans apporter d'autres modifications aux conducteurs dans la disposition du PCB.

Une fois que vous avez identifié les réseaux importants où dV/dt peut entraîner des courants bruyants autour de votre agencement, vous pouvez apporter des modifications précises à la carte en utilisant les outils CAO dans Altium Designer. Vous et votre équipe pourrez rester productifs et collaborer efficacement sur des conceptions électroniques avancées grâce à la plateforme Altium 365™. Tout ce dont vous avez besoin pour concevoir et produire des électroniques avancées se trouve dans un seul package logiciel.

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