Maîtriser le contrôle des interférences électromagnétiques dans la conception de PCB : Comment choisir l'empilement pour la conception CEM

L'un des concepts les plus importants à maîtriser lors de la conception de PCBs qui se démarquent en termes de Compatibilité Électromagnétique (CEM) est le choix de l'empilement des couches du PCB.

Figure 1 - Outil de gestion de l'empilement des couches dans Altium Designer

Cela devient l'un des aspects les plus significatifs car il est étroitement lié à la contenance des champs électromagnétiques dans notre conception de PCB.

Dans ce troisième article de la série Maîtriser le Contrôle des IEM dans la Conception de PCB, nous allons explorer ces concepts plus en détail, et nous allons également examiner d'autres concepts importants de CEM.

Pour qu'un signal se propage dans un circuit, il nécessite deux conducteurs pour former une boucle de courant complète. Un conducteur transporte le signal, et l'autre fournit le chemin de retour, assurant ainsi que le courant puisse circuler et que le signal puisse être transmis efficacement. L'un des conducteurs, nous l'appelons le conducteur de signal, et l'autre, nous l'appelons le retour de signal et conducteur de référence. Le conducteur de référence de retour est ainsi nommé parce que son travail consiste à fournir non seulement la référence (ou zéro volt) pour le signal, mais aussi parce qu'il doit offrir le chemin de moindre impédance pour que le courant du signal retourne à la source qui l'a généré. Afin d'atteindre le chemin de moindre impédance, la meilleure configuration serait de choisir un plan, au lieu d'une trace, et ce plan ne devrait avoir ni fentes, ni coupures, ni autres segmentations qui peuvent créer des discontinuités d'impédance pour les signaux.

À partir de ce concept de base, nous pouvons voir que pour chaque couche où nous avons un signal, nous devons avoir le second conducteur, le plan de référence de retour, qui fournit le chemin de retour et de référence. En suivant cette règle simple, nous pouvons alors décider comment concevoir nos empilements, simplement en appariant chaque couche de signal avec le Plan de Référence de Retour (RRP) adjacent.

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Voici quelques exemples de structures de couches qui permettront de minimiser les interférences électromagnétiques.

Exemple de structure à 2 couches

Pour une structure à 2 couches, nous pouvons avoir une configuration où une couche est dédiée aux signaux et aux pistes d'alimentation, tandis que la seconde couche est un plan de retour de référence solide.

Figure 2 - Exemple d'une structure à 2 couches avec l'outil Layer Stack Visualizer dans Altium Designer

Le plan ne doit pas avoir de séparations ou d'autres grands écarts. Cela est également important pour éviter de router les signaux au-dessus des écarts, ce qui peut créer des discontinuités d'impédance et agrandir les chemins de boucle de courant, augmentant finalement les émissions rayonnées. Si nous avons des pistes qui doivent traverser d'une couche à l'autre, nous voulons nous assurer que la traversée est aussi courte que possible et qu'elle n'est pas effectuée sous d'autres pistes de signal.

Exemple pour une structure à 4 couches

La même approche peut être utilisée pour une structure à 4 couches. Cette structure est adaptée lorsque la densité des composants et des pistes augmente et qu'une seconde couche est nécessaire pour router les pistes de signal. Bien qu'une structure à 3 couches puisse atteindre une configuration similaire, elle n'est généralement pas la meilleure option pour des raisons de fabrication, car les fabricants proposent généralement des structures de couches par paires.

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Pour un empilement à 4 couches, il existe deux configurations efficaces :

1. La première configuration a les plans de retour de référence comme plans intégrés dans l'empilement. Cela signifie que la couche 1 et la couche 4 seront les plans de signal, tandis que les couches 2 et 3 fourniront le retour et la référence pour les signaux sur les couches 1 et 4, respectivement.

2. La seconde configuration a les plans de retour de référence sur les couches 1 et 4, qui agissent comme une sorte de bouclier pour le circuit, tandis que les couches de signal sont sur les couches 2 et 3, intégrées dans l'empilement. Dans cette configuration, nous voulons augmenter l'espace entre les couches 2 et 3 afin que les champs des deux signaux ne se perturbent pas mutuellement. Au lieu de cela, chaque couche de signal s'accouple avec les plans de retour de référence.

Dans les deux configurations, des vias de liaison doivent également être implémentés entre les plans de retour de référence. Les principaux objectifs de cela sont de :

• Créer une sorte de bouclier de Faraday pour réduire les émissions et les interférences externes ;

• Maintenir les plans aussi équipotentiels que possible et réduire les tensions en mode commun ;

• Fournir le retour et la référence pour les signaux qui transitent verticalement d'une couche à une autre.

Dans ce cas, l'alimentation sera également acheminée sur les couches de signal.

Figure 3 - Exemple d'un empilement à 4 couches avec l'outil Layer Stack Visualizer dans Altium Designer

Laisser intentionnellement de côté le cas où une couche est entièrement dédiée à l'alimentation dans un empilement à 4 couches n'est pas recommandé pour des raisons de conception EMC, en raison du bruit de tension en mode commun que cela peut créer si cela n'est pas correctement exécuté. Ce sujet nécessite plus de détails techniques, que nous laisserons pour une autre fois.

Exemple pour un empilement à 6 couches

L'empilement à 6 couches offre un degré de liberté plus élevé dans la manière dont nous attribuons les couches de signal et d'alimentation.

Figure 4 - Exemple d'un empilement à 6 couches avec l'outil Layer Stack Visualizer dans Altium Designer

Deux empilements très efficaces peuvent fournir d'excellentes performances en termes d'EMC :

1. Empilement 1 : Les signaux sont routés sur les couches 1 et 6, avec des plans de retour de référence sur les couches 2 et 5, et des couches de signal supplémentaires sur les couches 3 et 4. Cette configuration permet aux couches 2 et 5 de servir de plans de retour et de référence pour les quatre couches de signal, au lieu de juste deux. Cela est rendu possible par l'effet de peau, qui permet à différents courants de circuler de chaque côté des plans sans se mélanger. L'effet de peau est essentiellement la tendance d'un courant alternatif (AC) à se distribuer dans un conducteur de sorte que la densité de courant est la plus grande près de la surface du conducteur, diminuant vers le centre. Ce phénomène se produit parce que le champ magnétique changeant généré par l'AC induit des courants de Foucault qui s'opposent au flux de courant dans le centre du conducteur, forçant le courant à circuler davantage à la périphérie. Dans ce type d'empilement, les réseaux d'alimentation peuvent être routés avec les couches de signal.

2. Empilement 2 : Les signaux sont routés sur les couches 1 et 6, avec les couches 2 et 5 servant de couches de référence de retour. Dans cette configuration, les couches 3 et 4 sont utilisées comme plans d'alimentation. Cet empilement est très efficace, surtout lorsque plus de puissance est nécessaire ou qu'un réseau de distribution d'énergie à faible impédance est requis. Il est recommandé d'utiliser des plans solides et homogènes pour les couches de référence de retour et les couches d'alimentation. Utiliser différents polygones sur une seule couche n'est pas conseillé, car cela peut générer du bruit en mode commun et entraîner des émissions rayonnées lorsque des câbles sont connectés. Dédié un plan par tension pour éviter ces problèmes et améliorer le réseau de distribution d'énergie (PDN) de la carte.

Comme avec l'empilement à 4 couches, assurez-vous qu'il y a une distance suffisante entre les couches de signal internes et les couches d'alimentation pour éviter le couplage entre elles, tout en maximisant le couplage avec les couches de référence de retour. De plus, l'implémentation de vias de liaison entre les plans de référence de retour devrait être réalisée lorsque cela est possible.

Exemples d'empilements multicouches simples avec Altium Designer

Heureusement, choisir l'empilement de PCB devient plus facile avec Altium Designer^®.

Avec l'outil intégré Gestionnaire de pile de couches, vous pouvez créer des empilements personnalisés pour vos PCB ou utiliser des empilements prédéfinis, facilitant grandement le travail du concepteur de PCB. L'outil Gestionnaire de pile de couches permet également de créer des types d'empilements plus avancés, où vous pouvez aussi calculer l'impédance caractéristique de vos signaux sans avoir besoin de calculateurs tiers.

C'est l'une des nombreuses fonctionnalités d'Altium Designer^® qui permet de créer des projets de PCB de manière fluide et précise, rendant le processus de conception non seulement plus facile mais aussi plus agréable.

Dans le prochain article, nous explorerons comment concevoir et optimiser les PCB pour une faible EMI. Assurez-vous de rester à l'écoute en suivant nos pages et réseaux sociaux pour ne pas le manquer.

En attendant, vous pouvez commencer votre essai gratuit d'Altium Designer^® + Altium 365^™ dès aujourd'hui et élever vos projets de conception de PCB au niveau supérieur.