Identification des interférences électromagnétiques (IEM) en champ proche dans le Power Distribution Network d'un PCB

Tout produit électronique destiné à être homologué FCC ou CE doit réussir les tests CEM et d'émissions par rayonnement. Si votre produit échoue, identifier les sources d'interférences électromagnétiques (IEM) rayonnées excessives peut s'avérer laborieux. Les concepteurs de circuits imprimés ont souvent recours à des mesures de champ proche à l'aide d'un oscilloscope afin d'identifier les composants ou les zones de la carte à l'origine de l'anomalie, ainsi que le contenu de fréquence des IEM rayonnées. Ils doivent ensuite s'appuyer sur leur expérience pour établir un lien entre le rayonnement associé à des fréquences spécifiques et les différentes sources d'IEM.

Toutes ces étapes nécessitent du temps, des efforts et une solide expertise pour identifier les sources d'interférences électromagnétiques et envisager des solutions. Une des options consiste à utiliser un solveur de champ pour simuler directement les IEM en champ proche dans un circuit imprimé, ainsi qu'à évaluer les solutions potentielles aux problèmes qui s'y rapportent.

En calculant le champ électromagnétique émis à partir de différentes zones d'un circuit imprimé, un solveur de champ peut être utilisé pour identifier un problème d'interférence électromagnétique dans une zone spécifique de la carte avant de procéder au lancement d'un prototype. Lorsque vous parvenez à repérer et corriger cette anomalie avant la fabrication, vous réduisez vos coûts de développement et vos délais de commercialisation.

Avec le logiciel Ansys SIwave® , vous pouvez accéder à plusieurs solveurs de champ intégrés qui vous permettent d'examiner l'intégrité du signal et de l'alimentation, et d'analyser les IEM. Grâce à l'extension Ansys EDB Exporter, Altium Designer® s'intègre également de manière optimale à SIwave. Les concepteurs peuvent ainsi facilement effectuer ces analyses directement à partir des données de routage. Pour voir comment cette solution fonctionne avec un routage de PCB dans Altium, nous allons examiner un projet réalisé dans Altium Designer et comment des IEM excessives en champ proche peuvent être identifiées à partir d'une série de résultats de simulation.

Analyse des interférences électromagnétiques en champ proche dans un Power Distribution Network

Dans cet article, nous utiliserons le projet d'exemple de Mini PC dans Altium Designer afin d'analyser les IEM en champ proche à l'aide d'Ansys SIwave. Cette carte spécifique contient plusieurs interfaces haute vitesse. Or, elles pourraient rencontrer des problèmes d'intégrité du signal et de l'alimentation. Après avoir importé la géométrie et le routage de la carte dans SIwave, une solution de pleine onde dans le domaine fréquentiel peut être envisagée afin d'identifier les sources d'IEM en champ proche dans la carte du Mini PC.

Ce dernier contient de multiples composants et interfaces haute vitesse qui doivent être examinés pour détecter les problèmes d'intégrité du signal et de l'alimentation.

• FGPA Intel Arria 10 
• 2 puces DRAM DDR4 intégrées de 8 Go, d'une fréquence de 1866 MHz
• 2 emplacements d'extension SODIMM pour des modules RAM DDR3/4
• USB 3.0, Ethernet 10/100/1000Base, PCIe

Tous ces composants haute vitesse et les interconnexions entre eux peuvent constituer une source d'interférences électromagnétiques en champ proche s'ils ne sont pas disposés correctement.

Afin d'identifier les sources des interférences électromagnétiques de la carte pendant son fonctionnement, le scanner des IEM de SIwave peut être utilisé pour vérifier automatiquement le routage du PCB par rapport à leurs règles de conception avant d'exécuter des simulations pleine onde. Cette technique permet d'identifier les zones problématiques afin de les inspecter plus en détail lors d'une simulation pleine onde.

Identifier les zones problématiques

Le routage du Mini PC contient 16 couches avec des dispositions multiples de couches plan-signal-plan pour le routage de la ligne ruban. Dans un premier aperçu du routage du Mini PC dans Altium Designer, nous voyons que deux signaux de bus DDR4 de ligne ruban (couche 7) sont associés au plan d'alimentation PLL_1V8 (couche 6, fournit une régulation de 2,5 V à 1,8 V pour le FPGA) et au plan d'alimentation VDD_DDR sans (couche 8, fournit l'alimentation aux modules DDR4). Les autres groupes d'octets se trouvent sur la couche 5, qui exploite également les couches 4 et 6 comme référence GND. Étant donné que les chemins de retour sont générés dans les plans d'alimentation en tant que courants de déplacement, il doit y avoir un chemin de retour à faible impédance vers le potentiel de référence du plan de masse.

Dans le routage du Mini PC, le seul plan de la section DDR4 qui n'a pas suffisamment de chemin de retour à faible impédance vers la masse est la couche 6, plus particulièrement le signal PLL_1V8. Ce chemin de retour à faible impédance vers les plans de masse les plus proches (couches 4 et 9) pourrait être assuré par des condensateurs de découplage. On s'attend logiquement à ce qu'un problème d'interférences électromagnétiques en champ proche survienne quelque part dans cette zone, car il y a une faible capacitance interplan entre le signal PLL_1V8 et les signaux GND les plus proches sur les couches 4 et 9.

Le signal PLL_1V8 dans le Mini PC est illustré dans le schéma n° 1. Sur cette image, on observe une zone du circuit imprimé où des chemins de retour discontinus pour les signaux DDR4 ont été identifiés avec le scanner des interférences électromagnétiques de SIwave. La zone en surbrillance du schéma n° 1 représente le signal PLL_1V8.

Maintenant que le scanner a identifié ce signal afin de réaliser un examen plus approfondi, des techniques plus élaborées peuvent être mobilisées pour vérifier si cette violation de la règle de conception des IEM engendre une anomalie majeure dans la conception. Pour ce faire, nous pouvons utiliser SIwave pour :

1. Identifier les antirésonances d'impédance dans la partie PLL_1V8 du réseau d'alimentation (PDN), car elles pourraient être stimulées par des courants de déplacement.
2. Simuler les IEM rayonnées en champ proche avant et après la résolution du problème du chemin de retour.

Penchons-nous plus en détail sur cette problématique à l'aide des outils de simulation de SIwave.

Correspondance entre les fréquences d'interférences électromagnétiques potentielles et les antirésonances du PDN

Le solveur hybride de SIwave peut être utilisé pour extraire les paramètres Z à bande large pour le signal PLL_1V8, ce qui permet ensuite d'identifier toutes les antirésonances dans le spectre des paramètres Z. Dans ce cas, les résonances du Power Distribution Network (PDN) peuvent être stimulées si leur fréquence tombe dans la bande passante du courant de déplacement, ce qui produirait une forte oscillation sur le PDN. Ceci aurait pour conséquence de rayonner un puissant champ électrique dans le régime de champ proche à la fréquence antirésonante du Power Distribution Network.

Le schéma n° 2 montre l'auto-impédance extraite du signal PLL_1V8 de 100 kHz à 4 GHz. Notez que d'autres solveurs électromagnétiques d'Ansys peuvent également être utilisés pour extraire d'autres paramètres Z pour un PDN complexe à entrées et sorties multiples, comme l'impédance de transfert entre PLL_1V8 et tout autre plan d'alimentation.

La partie PLL_1V8 du PDN présente une forte antirésonance à 580 MHz, l'étape suivante consiste donc logiquement à étudier l'émission par rayonnement en champ proche à proximité de cette fréquence. Grâce à l'option AC Solver de SIwave, plutôt que d'essayer de modéliser des chemins de retour discontinus dans le domaine temporel, les émissions par rayonnement en champ proche à travers le PCB peuvent être simulées directement dans le domaine fréquentiel.

Résultats des simulations des interférences électromagnétiques en champ proche

Certains résultats initiaux de simulations en champ proche dus aux courants de retour générés dans le signal PLL_1V8 sont illustrés dans le schéma n° 3. Dans ce schéma, on visualise clairement une forte émission à proximité de Q4. Cette dernière alimente le signal du plan d'alimentation PLL_1V8 (partie supérieure droite de la région représentée sur le schéma n° 3). Le champ électrique rayonné (amplitude) de cette zone est un ordre de grandeur supérieur au champ électrique d'arrière-plan dans le reste de la carte. On constate également que cette forte IEM est rayonnée à 580 MHz, ce qui correspond précisément à l'antirésonance du Power Distribution Network.

Ce constat nous conduit à envisager deux solutions possibles pour réduire les IEM rayonnées par le signal PLL_1V8 :

1. Augmenter la taille latérale de la paire de plans d'alimentation/de masse pour obtenir une capacitance interplan plus élevée.
2. Modifier l'empilage de couches de sorte que les signaux DDR ne référencent pas le plan d'alimentation.
3. Ajouter des condensateurs de découplage avec une fréquence d'autorésonance élevée à la couche de surface pour amortir l'antirésonance dans le PDN.

Le troisième chemin est le plus simple, car la poursuite des deux premiers chemins d'un routage terminé peut nécessiter de nombreuses modifications. Une fois que les condensateurs de découplage ont été ajoutés, vous pouvez procéder à la simulation et comparer les résultats obtenus. Le schéma n° 4 montre une simulation de la carte du Mini PC après l'ajout de condensateurs de découplage sur le signal PLL_IV8 dans Altium Designer.

Ce résultat montre que le champ électrique rayonné à 580 MHz dans le régime de champ proche est réduit d'environ 70 % en ajoutant simplement des condensateurs de découplage au Power Distribution Network. La résolution de ce problème de Power Distribution Network ne se limite pas à solutionner un problème d'interférences électromagnétiques en champ proche ; elle réduit également le bruit de phase et la gigue couplés à d'autres composants connectés au signal PLL_1V8.

RÉSUMÉ

Le projet d'exemple de Mini PC dans Altium Designer a été examiné dans Ansys SIWave afin d'identifier les problèmes potentiels d'IEM en champ proche : une anomalie majeure d'émission par rayonnement en champ proche a été localisée et corrigée. En identifiant les résonances du PDN dans SIWave et en y ajoutant des condensateurs de découplage dans Altium Designer, son impédance à la fréquence antirésonante la plus forte a été réduite, diminuant ainsi d'environ 70 % le champ électrique rayonné en champ proche.

L'intégration fournie par Ansys SIwave et Altium Designer optimise ce type de processus de simulation post-routage grâce à l'extension EDB Exporter d'Altium Designer. Les concepteurs de PCB peuvent ainsi l'utiliser pour concevoir des circuits imprimés de pointe et exécuter rapidement des simulations multiphysiques post-routage.

Pour en savoir plus, inscrivez-vous au webinaire organisé conjointement par Altium et Ansys.

Sans les bons outils de conception et d'analyse, préparer et mettre en œuvre des simulations d'interférences électromagnétiques en 3D avec de réels circuits imprimés peut s'avérer extrêmement difficile. Altium Designer® peut s'interfacer avec Ansys SIwave® à l'aide de l'extension Ansys EDB Exporter, ce qui vous offre un moyen simple mais puissant d'exécuter des analyses d'intégrité du signal, de l'alimentation et des IEM dans le domaine temporel ou fréquentiel avec un large éventail de solveurs de champ 3D.