Maîtriser le contrôle des interférences électromagnétiques (EMI) dans la conception de PCB : Comment concevoir des PCB pour une faible EMI

Bienvenue dans le quatrième article de notre série sur Maîtriser le contrôle des interférences électromagnétiques (EMI) dans la conception de PCB. Dans cet épisode, nous explorerons les aspects avancés de la gestion des interférences électromagnétiques (EMI) qui sont cruciaux pour une conception efficace de PCB.

Lors de la conception de cartes de circuits imprimés (PCB), un défi clé est de s'assurer que votre conception peut passer les tests d'émissions rayonnées et conduites. Cela est vital pour répondre aux normes réglementaires et garantir que votre PCB fonctionne correctement dans son environnement prévu, sans causer d'interférences à d'autres dispositifs et systèmes.

Il est tout aussi important d'atteindre une immunité contre les émissions externes et internes, ce qui aide à assurer la fiabilité et la performance de votre produit final.

Figure 1 - Exemple de conception de PCB dans Altium Designer®

Lors de la conception pour l'interférence électromagnétique (EMI), il est important de comprendre que les émissions sont principalement causées par les changements de courants dans nos circuits, plutôt que par la tension. Cela signifie que tous les circuits émettront inévitablement un certain niveau de rayonnement électromagnétique en raison des changements de courant inhérents à ceux-ci. Le principal défi pour les concepteurs est de gérer et de contrôler l'étendue de ce rayonnement.

Pour obtenir une meilleure Compatibilité Électromagnétique (EMC), nous devons nous concentrer sur la conception de cartes de circuits imprimés qui contiennent et minimisent efficacement ces émissions électromagnétiques.

Cela implique de s'attaquer à deux principaux types d'émissions :

• Émissions dues aux courants en mode différentiel ;
• Émissions dues aux courants en mode commun.

Figure 2 - Courants en mode différentiel vs mode commun dans un circuit (chemin de retour du courant en mode commun non montré). Réf : Dario Fresu

La manière la plus simple de comprendre ces courants est de penser que les courants en mode différentiel circulent dans des "directions opposées" à travers des chemins différents, tandis que les courants en mode commun circulent dans la même direction "commune" le long des chemins du circuit.

Comment minimiser les émissions dues aux courants en mode différentiel

Les courants en mode différentiel sont essentiels pour le fonctionnement normal d'un circuit. Ces courants circulent entre les circuits intégrés (CI) et les composants, et font partie de la conception du circuit dans le PCB.

Ils se déplacent dans des boucles définies par l'agencement du circuit, et la taille de ces boucles affecte le niveau des émissions produites. Plus la boucle est grande (c'est-à-dire, plus la surface est grande), plus les émissions sont élevées. De plus, des fréquences plus élevées entraînent une augmentation des émissions.

Pour réduire ces émissions, nous avons quelques stratégies :

1. Réduire la quantité de courant circulant dans les pistes
2. Diminuer la fréquence des courants
3. Minimiser la surface des boucles de courant

Réduire le courant et la fréquence (options 1 et 2) est souvent peu pratique car cela peut impacter significativement l'efficacité du circuit. L'approche la plus pratique, que les concepteurs de PCB peuvent contrôler plus directement, consiste à minimiser la surface encerclée par ces boucles de courant.

Figure 3 - Exemple d'une boucle de courant dans un PCB avec Altium Designer®

Une méthode très efficace consiste à utiliser un plan de référence de retour proche des pistes de signal dans l'empilement des couches. Ce faisant, la surface encerclée par le courant d'aller et de retour devient très petite, minimisant les émissions. Cela, en plus de garder les pistes de signal aussi courtes que possible, donnera le meilleur résultat en termes de réduction des émissions provenant des courants en mode différentiel.

Bien sûr, le placement des composants, la réduction du diaphonie des signaux et la gestion d'autres mécanismes de couplage qui peuvent transférer le bruit aux câbles proches sont également importants pour réduire les émissions. Cependant, ces facteurs sont secondaires par rapport à la technique principale de minimisation de la surface des boucles de courant.

Cette technique a un impact plus direct et significatif sur la réduction des émissions car elle s'attaque à la cause première des émissions des courants en mode différentiel.

Comment minimiser les émissions dues aux courants de mode commun

Un autre type de courant important, dont les concepteurs doivent être conscients, est le courant de mode commun. Contrairement aux courants de mode différentiel, qui sont intentionnellement conçus dans le circuit, les courants de mode commun ne sont pas explicitement pris en compte dans les schémas. Ces courants ne sont pas nécessaires au fonctionnement du circuit et proviennent principalement de parasitiques au sein de la conception.

Identifier et contrôler ces courants parasitiques peut être assez difficile car leurs sources ne sont pas toujours évidentes. Les courants de mode commun sont typiquement générés lorsque les courants de mode différentiel traversent des éléments parasitiques dans le circuit.

Figure 4 - Les lacunes dans les plans de retour sont souvent une cause de rayonnement en mode commun (Altium Designer®)

Ces parasitiques se trouvent surtout dans les conducteurs de référence de retour, communément connus sous le nom de conducteurs « Terre » ou « Masse du Signal ». Le problème avec les parasitiques dans les conducteurs de référence de retour survient principalement parce que, en réalité, les composants et les conducteurs ne sont pas parfaits, loin de là.

Par exemple, les pistes de cuivre dans un circuit ont non seulement une résistance mais présentent également de l'inductance et de la capacité. Ces propriétés parasitiques deviennent de plus en plus significatives à mesure que les fréquences des signaux augmentent.

Contrairement aux émissions en mode différentiel, qui sont principalement affectées par la taille de la boucle de courant, les courants en mode commun sont principalement influencés par les longueurs des conducteurs et la fréquence du bruit. Cependant, l'impact de la longueur des conducteurs devient moins significatif au-delà d'un certain point, que nous n'explorerons pas davantage ici dans cet article.

Pour les câbles électriquement courts, les émissions de courant en mode commun peuvent être modélisées comme une transmission d'antenne dipôle (ou monopôle), plutôt que comme une transmission d'antenne en boucle. Ce changement de modélisation affecte la manière dont les émissions sont produites et contrôlées.

Pour réduire efficacement les émissions provenant des courants en mode commun à la source, nous devrions envisager les stratégies suivantes :

• Réduire la quantité de courant en mode commun ;
• Diminuer la fréquence du courant en mode commun ;
• Minimiser la longueur des conducteurs qui contribuent aux émissions en mode commun.

Une stratégie clé consiste à se concentrer sur la réduction de la longueur des pistes de signal. Bien qu'il ne soit pas toujours possible de raccourcir tous les conducteurs en raison des contraintes du système, les concepteurs devraient s'efforcer de minimiser les longueurs de piste chaque fois que cela est faisable. Cet effort aide à atténuer les émissions provenant du PCB, surtout à mesure que les fréquences des signaux continuent d'augmenter.

L'utilisation d'un plan en cuivre massif comme plan de retour et de référence est une autre technique efficace. Cette méthode réduit l'inductance que le courant de retour doit traverser, diminuant ainsi la source de tension en mode commun qui entraîne ces émissions.

En fournissant un chemin à faible impédance pour les courants de retour, un plan en cuivre massif (sans séparations ni coupures) aide à maintenir l'intégrité du signal et à réduire les interférences électromagnétiques (EMI).

Comment minimiser les émissions en utilisant des vias de liaison

Une autre technique recommandée pour réduire les émissions en mode commun dans les empilements multicouches avec plusieurs plans de référence de retour est l'utilisation de vias de liaison entre ces plans. Les vias de liaison, qui connectent les différentes couches de référence de retour, garantissent qu'elles restent au même potentiel électrique. Cette connexion aide à réduire les sources de tension en mode commun qui entraînent des émissions en mode antenne dipôle (ou monopôle), ce qui peut diminuer considérablement le bruit indésirable et les EMI.

Figure 5 - Exemple de vias de liaison dans Altium Designer®

En plus de réduire les émissions en mode commun, les vias de liaison sont essentiels pour fournir un chemin de retour de courant fiable, et un potentiel de référence pour les signaux qui transitent entre les couches dans l'empilement. Cela empêche les émissions entre les plans, qui pourraient sinon interférer non seulement avec les EMI, mais aussi avec l'intégrité du signal et la performance globale du PCB.

Conclusions

Lors de la conception de cartes de circuits imprimés (PCB) avec un contrôle efficace de l'Interférence Électromagnétique (EMI) en tête, disposer des bons outils est essentiel. Un logiciel avancé de conception de PCB vous permet de gérer divers paramètres de conception et assure que vos cartes sont fabriquées avec une précision et une efficacité exceptionnelles. Ces outils sont cruciaux pour gérer les exigences de conception complexes et confirmer que vos stratégies d'atténuation des EMI sont correctement appliquées, conduisant à des PCB plus fiables et performants.

Altium Designer® se distingue comme un outil exemplaire dans ce domaine, offrant une intégration transparente dans votre flux de travail de conception. Il fournit la flexibilité et les capacités avancées nécessaires pour pleinement exploiter votre expertise et votre passion pour la conception de PCB, facilitant ainsi la mise en œuvre de stratégies efficaces de contrôle des EMI.

Pour continuer à affiner vos conceptions de PCB, rester informé est la clé. Dans notre prochain article, nous couvrirons les stratégies de découplage pour les Réseaux de Distribution d'Énergie (PDN), vous fournissant encore plus d'aperçus pour améliorer vos pratiques de conception.

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