Directives pour les PCB en matière d'EMI/EMC : Respecter les normes EMI/EMC dans vos conceptions

Que se passerait-il si vous placiez deux téléphones portables l'un à côté de l'autre et que soudainement aucun d'eux ne fonctionnait correctement ? Heureusement, cela n'arrive pas car les concepteurs et les fabricants ont fait de sérieux efforts pour garantir que ces appareils respectent les normes CEM sur les EMI conduites et rayonnées. Tout appareil doit se conformer aux normes CEM avant de pouvoir être commercialisé.

Bien que cela semble compliqué, vous disposez d'un certain nombre de stratégies de conception simples pour aider votre prochain appareil à passer les tests CEM. Se familiariser avec les différentes organisations de normes CEM et leurs spécifications est un bon point de départ.

Normes CEM/EMI pour la conception de PCB

Les normes CEM se divisent en deux grandes catégories : les normes réglementaires et les normes industrielles. Les normes réglementaires pour votre conception dépendent de l'endroit où vous souhaitez commercialiser et vendre votre produit (pas nécessairement où il est conçu ou fabriqué). Certaines des premières normes CEM ont été établies par la Commission Fédérale des Communications des États-Unis en 1979. La Communauté Européenne a par la suite défini ses propres normes CEM, qui ont formé la base des futures normes de l'Union Européenne, désormais connues sous le nom de Directive CEM - officiellement nommée Directive sur la Compatibilité Électromagnétique (CEM) 2014/30/EU du Parlement Européen (vous pouvez consulter la norme européenne ici).

La conformité aux normes industrielles n'est pas seulement une question légale, mais aussi une question spécifique à l'industrie pour garantir l'uniformité et l'interopérabilité entre les équipements électroniques déployés dans des environnements et des domaines d'application spécifiques. Effectivement, les normes EMC industrielles jouent le même rôle que les autres normes industrielles concernant la fabrication, l'assemblage, la performance, etc. Les principales organisations de normalisation industrielles et les organismes réglementaires qui définissent les exigences EMC comprennent :

• Commission Fédérale des Communications (FCC) des États-Unis
• Administration Fédérale de l'Aviation (FAA) des États-Unis
• Laboratoires d'Assurances (UL)
• Commission Technique Américaine de Radio pour l'Aéronautique (RTCA)
• Commission Électrotechnique Internationale (IEC), à travers le Comité International Spécial des Perturbations Radioélectriques (CISPR)
• Organisation Internationale de Normalisation (ISO)
• Société des Ingénieurs de l'Automobile (SAE)
• Institut des Ingénieurs Électriciens et Électroniciens (IEEE)
• L'armée américaine à travers son ensemble de normes MIL-STD

Alors que les normes IEC et CISPR sont plus populaires en Europe, les normes IEEE sont plus populaires aux États-Unis. En particulier, les normes IEEE forment la base des tests de calibration d'antennes. Les exigences EMC MIL-STD sont parmi les normes les plus strictes au monde et faisaient partie des premières normes adaptées au secteur commercial pour les dispositifs électroniques.

Exigences Générales pour la Conformité aux Normes EMC

Les entreprises qui mettent sur le marché des dispositifs ou des produits non conformes peuvent recevoir un avertissement ou se voir infliger des amendes substantielles. Ne pas respecter les exigences en matière de CEM représente également un risque pour la sécurité et nuit à la réputation d'une entreprise. Concevoir en tenant compte de la CEM peut aider à garantir que vous ne recevrez pas de sanctions civiles une fois que votre dispositif sortira de la ligne de fabrication. Les concepteurs prennent des mesures pour se conformer aux normes CEM en considérant les IEM sous deux angles :

• Concevoir pour l'immunité aux IEM : Concevoir un dispositif capable de résister aux IEM indésirables provenant d'appareils voisins. Cela commence généralement par la bonne stratégie de superposition et de routage.

• Supprimer les IEM rayonnés : Concevoir un dispositif pour minimiser les radiations qu'il émet. La superposition des couches, la stratégie de mise à la terre, le placement des composants et éventuellement le blindage jouent tous un rôle ici.

• Supprimer les IEM conduits : Les IEM conduits prennent plusieurs formes, telles que le bruit en mode commun ou différentiel couplé, le bruit de commutation des régulateurs SMPS, ou les harmoniques reçus du réseau.

• Transitoires rapides ou fluctuations de puissance : Ces types de bruit se manifestent sous forme de séries d'impulsions injectées, de brèves chutes de tension, de coupures périodiques ou de pics de puissance. La conception doit empêcher leur apparition sous forme de bruit sur une sortie ou une charge. Ces exigences sont applicables aux conceptions avec des câbles courts ou des entrées AC, respectivement.

• Suppression des surtensions et de l'ESD : Nous nous concentrons généralement sur le bruit lors de la discussion sur l'EMI/EMC, mais résister aux surtensions et à l'ESD sont également des aspects importants de la conception pour se conformer aux normes EMC.

Mesure de l'EMC rayonnée avec une sonde en champ proche

Quelques stratégies pour augmenter vos chances de réussir les tests de normes EMC

Il existe certaines pratiques de conception de base que chaque concepteur devrait utiliser pour s'assurer que leurs cartes passent même les vérifications EMC de base.

Empilement, Alimentation et Mise à la Terre

Une stratégie de conformité EMC commence avec votre empilement de couches. Concevoir votre carte avec un système de mise à la terre à faible inductance a le plus grand effet pour minimiser la susceptibilité aux EMI. Avec des cartes multicouches, vous devriez placer un plan de masse directement sous les couches de signaux afin de minimiser l'inductance de boucle.

L'interférence dans les signaux de faible niveau conduit à des rapports signal sur bruit plus faibles. Ainsi, il est judicieux de router ces signaux sur une couche intérieure. Si vous avez suffisamment de couches dans votre empilement, placez ces pistes entre deux plans de masse, puis placez votre plan d'alimentation sous le plan de masse le plus bas. Placer le plan d'alimentation près du plan de masse fournit un couplage capacitif fort. Tout bruit ou EMI conduit dans le plan d'alimentation saignera facilement dans le plan de masse proche plutôt que d'interférer avec les signaux.

Soyez prudent lorsque vous routez des signaux d'une couche intérieure vers une couche de surface, car vous devrez maintenir un couplage serré. Vous pouvez maintenir le couplage avec un plan de référence en plaçant une via parallèle proche entre le plan de masse et la couche de surface. D'autres problèmes de CEM, comme le routage et le placement des horloges, peuvent être problématiques et créer un bruit excessif, en particulier lors du changement de plans de référence dans un PCB multicouche. Si possible, essayez de ne pas utiliser de protocoles nécessitant un oscillateur de référence externe, et utilisez plutôt des protocoles qui ont une horloge intégrée. Certains protocoles comme DDR utilisent une paire différentielle synchronisée par la source pour l'horloge, ce qui aura une EMI rayonnée plus faible qu'une connexion d'horloge à extrémité unique (voir ci-dessous concernant les paires différentielles).

Incorporation de Blindage

L'utilisation judicieuse du blindage est une autre stratégie pour fournir à votre carte une immunité contre l'EMI rayonnée. Cela supprime également l'EMI rayonnée loin de votre carte. Si vous travaillez avec un dispositif sans fil, vous pouvez simplement placer l'antenne à l'extérieur du blindage pour qu'elle puisse toujours envoyer et recevoir des signaux.

La solution la plus simple consiste à utiliser un blindage relié à la terre qui formera une cage de Faraday autour des composants et des pistes sensibles. Tous les designs et composants ne permettront pas cette solution. Ainsi, vous pourriez nécessiter une méthode de blindage plus élaborée. Si vous utilisez un plan de masse uniforme à l'intérieur de votre carte (ce que vous devriez faire de toute façon), une clôture de vias reliée à la terre autour du bord de votre carte et le via stitching sur les régions de cuivre étendu fourniront une protection similaire.

Le blindage peut servir à supprimer l'EMI rayonnée

Les boîtiers de blindage sont probablement la forme de blindage la plus courante à laquelle tout le monde pense, ce n'est pas le seul type de blindage possible qui peut être utilisé pour combattre l'EMI. D'autres matériaux de blindage uniques qui peuvent fournir une suppression large bande de l'EMI incluent :

• Mousse conductrice ou matériaux de joint en élastomère qui absorbent les émissions RF
• Matériaux en maille métallique qui peuvent être montés sur le boîtier
• Rubans métalliques qui peuvent être utilisés pour les surfaces d'accouplement ou certains endroits sur la carte
• Revêtements conformes avec absorption dans une bande de fréquence problématique
• Ferrites qui peuvent être attachés directement au boîtier ou aux ensembles de câbles

Ces autres types de blindage peuvent être mis en œuvre sur la carte ou dans le boîtier lorsque d'autres solutions utilisées sur le PCB échouent. Personnellement, je ne recommanderais l'utilisation de boîtes de blindage et de certains de ces autres matériaux qu'après avoir mis en œuvre toute la gamme de solutions au niveau de la carte.

Disposition et routage de signaux mixtes

Certains dispositifs peuvent nécessiter de manipuler des données numériques et de supporter des signaux analogiques, ce qui les rend intrinsèquement des dispositifs à signaux mixtes. Il est judicieux d'essayer de séparer les sections numériques, analogiques basse fréquence et analogiques RF de la carte en différentes régions du schéma de la carte PCB. Il est toujours bon de s'assurer que ces sections disposent de leurs propres zones dédiées dans la couche de masse, mais la couche de masse doit rester continue. Cela signifie que le défi ici est de suivre le chemin de retour autour de la carte. L'objectif est double : éviter les interférences entre les différentes sections de la carte tout en s'assurant que les signaux ne présentent pas d'inductances de boucle importantes en les routant au-dessus de la masse sur la couche adjacente. Pour en savoir plus sur les stratégies de mise à la terre pour signaux mixtes, lisez cet article.

Condensateurs de Bypass/Découplage sur le Bus d'Alimentation

En dernier lieu, comprenez que le bruit sur le bus d'alimentation crée des interférences électromagnétiques (EMI), qui peuvent être rayonnées depuis le bord de la carte. Cela nécessite une conception de stackup appropriée, le placement des condensateurs de bypass/découplage, et le placement des paires de plans de référence/d'alimentation. La réduction du bruit sur le bus d'alimentation dans les systèmes numériques avancés avec de nombreux I/O est autant un problème d'intégrité de puissance qu'un problème d'EMI/EMC, donc concentrez-vous sur la compréhension des fondamentaux de l'intégrité de puissance pour traiter ces problèmes.

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