Maîtriser le contrôle des interférences électromagnétiques (EMI) dans la conception de PCB : Comment les signaux se propagent dans un PCB

La conception de circuits imprimés (PCB) pour la compatibilité électromagnétique (EMC) nécessite une solide compréhension de la propagation des signaux du point de vue des champs électromagnétiques et des courants. Ces concepts sont importants car ils nous aident à concevoir des PCB avec de faibles niveaux d'émissions de champs électromagnétiques et une faible sensibilité aux émissions ou interférences externes.

Dans ce premier article de la série Maîtriser le Contrôle de l'EMI dans la Conception de PCB, nous allons approfondir ces concepts et voir comment les appliquer à la conception de circuits imprimés.

Concept de Propagation du Signal dans une Ligne de Transmission

Lorsqu'on pense à la façon dont un signal se propage dans un PCB, il est important de passer de l'analogie de l'eau circulant dans des tuyaux à une pensée en termes de champs électromagnétiques et de lignes de transmission. Une ligne de transmission est une structure conçue pour transférer de l'énergie sous forme de champs électromagnétiques contenus d'un point à un autre. Dans le contexte des circuits imprimés, la ligne de transmission est formée par au moins deux conducteurs. Les deux conducteurs sont également importants pour contenir les champs électromagnétiques et les guider d'un point à un autre dans le circuit. Si l'un des deux conducteurs est absent, les champs électromagnétiques qui composent les signaux restent non contenus, ce qui peut entraîner des échecs de tests EMC en raison de l'expansion de ces champs.

Un concept très important qui émerge de cela est que le signal électromagnétique n'est pas contenu à l'intérieur du conducteur mais dans l'espace entre deux conducteurs, dans le dielectrique, et l'entourant. Notre objectif en termes d'EMC est de maximiser les champs électromagnétiques contenus entre les deux conducteurs et de réduire les champs électromagnétiques qui l'entourent.

Figure 1 - Représentation de la propagation d'un signal numérique dans un PCB

Dans les PCB, les deux conducteurs utilisés pour la propagation du signal sont le conducteur de potentiel de signal et le conducteur de retour et de référence de potentiel. Le moyen le plus simple de visualiser cela est dans une carte à deux couches où la couche supérieure, connectée à la source de signal, est utilisée pour acheminer les traces de signal, et la couche inférieure est une couche de cuivre solide connectée à la source de signal mais aussi à la référence de potentiel de signal (voir Figure 1). Ce que nous appelons un signal est le champ électromagnétique contenu entre ces deux conducteurs. Cela signifie que le signal n'est pas contenu dans un seul conducteur mais est l'énergie électromagnétique contenue dans le dielectrique entre ces deux conducteurs. Cela signifie également que les propriétés du matériau diélectrique influencent la propagation du signal, en particulier son influence sur la vitesse à laquelle le signal (ou l'onde électromagnétique) se propage, qui est la vitesse de la lumière dans le diélectrique. Il y aura des points entre les deux conducteurs où le signal est présent et des points où le signal n'est pas encore atteint. Dans un signal numérique, le point entre ces deux zones où nous avons le signal complet et où nous n'avons pas encore de signal est appelé le bord du signal ou front d'onde du signal. C'est le point de transition entre la logique de bas niveau et la logique de haut niveau dans le signal numérique.

En termes d'EMC, ce point est extrêmement important car c'est là que les champs électriques et magnétiques passent de bas à haut entre les conducteurs. Plus cet état d'énergie change rapidement, c'est-à-dire plus le signal passe rapidement d'un niveau logique bas à un niveau logique élevé, plus le changement d'énergie est compressé en peu de temps. À mesure que le signal se propage de sa source à sa destination dans la ligne de transmission, le front d'onde du signal ou le bord du signal mène la propagation du signal.

Courant Direct, Courant de Retour et Courant de Déplacement

Un autre concept important est que si nous devions suivre le bord du signal à mesure qu'il se propage, nous verrions que, puisque le bord de tête est un changement du champ électromagnétique, cela générerait un courant de déplacement dans le diélectrique entre les deux conducteurs. Ce phénomène est expliqué par les quatre équations de Maxwell mises ensemble par Oliver Heaviside, en particulier la loi d'Ampère-Maxwell. Le moyen le plus simple de visualiser cela est de penser à la façon dont le courant s'écoule à travers un condensateur lorsque source AC est appliquée (voir Figure 2).

Figure 2 - Condensateur (a) sans champs E appliqués (b) champ E positif appliqué (c) champ E négatif appliqué

En réalité, il n'y a pas de courant de conduction entre les plaques du condensateur et son diélectrique, mais les charges liées contenues dans le diélectrique se polarisent simplement (se déplacent) suivant les champs appliqués des plaques du condensateur. Cela apparaîtra comme si un courant de conduction circulait à travers la plaque du condensateur. Le concept de courant de déplacement est important pour comprendre comment il est possible qu'un courant se forme pendant la propagation du signal, en particulier avant d'atteindre la charge. Comme l'enseignent les cours de théorie des circuits classiques, le courant circule toujours en boucles. Alors, comment est-il possible que nous ayons un courant même avant que le signal n'atteigne la charge et donc avant d'établir un courant de conduction continu qui va de la source à la charge puis revient à la source pour former la boucle de courant ? Cela est possible grâce au courant de déplacement, qui permet au courant de circuler toujours en boucles à mesure que le signal se propage. Sans le courant de déplacement, n'ayant que le courant de conduction, nous n'aurions pas de propagation du signal, car la boucle de courant faite uniquement par le courant de conduction ne pourrait pas fermer la boucle avant d'atteindre la charge. Cela signifierait qu'un courant de conduction devrait circuler à travers le diélectrique, ce qui, par définition, n'est pas possible. Mais avec ce courant apparent, le courant de déplacement, la boucle se ferme instantanément à mesure que le signal se propage.

La combinaison du courant de conduction et du courant de déplacement aboutira à une boucle de courant qui se propage suivant le bord du signal. Cette boucle de courant, comme montré dans la Figure 3, peut être divisée en trois portions :

Figure 3 - Boucle de courant et courant de déplacement

• Le courant direct, qui circule dans la direction du signal vers la charge sur le conducteur de la couche supérieure.
• Le courant de retour, qui circule dans la direction opposée du signal de retour vers la source sur le conducteur du côté inférieur.
• Le courant de déplacement, qui relie les deux autres portions du courant en « circulant » à travers le diélectrique entre les conducteurs et suivant le bord du signal.

Contenir l'énergie du signal pour contrôler l'EMI

Gérer la contenance des champs électromagnétiques entre les conducteurs et contrôler le chemin de circulation du courant est extrêmement important pour concevoir des PCB qui non seulement surperforment mais excellent également en compatibilité électromagnétique et en intégrité du signal (voir Figure 4).

Figure 4 - Exemple d'une conception avancée de PCB avec le visualiseur 3D Altium Designer®

Cette approche nous permet de contrôler les émissions à leur source et d'éviter de concevoir des structures de PCB qui permettent le couplage des interférences externes.

Dans le prochain article de la série, nous discuterons de la façon d'améliorer le placement des composants pour réduire efficacement l'EMI. Pour vous assurer de ne pas le manquer, restez à l'écoute en suivant nos pages et nos réseaux sociaux.

Conclusions

Pour concevoir des PCB qui répondent à ces normes élevées, vous avez besoin d'outils avancés qui offrent un contrôle précis sur chaque aspect de votre conception. Altium Designer® propose un ensemble complet de fonctionnalités de mise en page et de simulation de conception de PCB, garantissant que vos conceptions respectent toutes les exigences de conception. Le moteur intégré de règles de conception et les outils de simulation en ligne aident à vérifier la conformité de vos spécifications de conception pendant que vous routez votre PCB.

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