Superposer des plans dans le routage de votre circuit imprimé à signaux mixtes

Les plans d'alimentation, ou du moins les polygones utilisés pour l'alimentation, sont indispensables dans les circuits modernes, et les systèmes numériques tels que nous les connaissons n'existeraient probablement pas si nous n'avions pas la possibilité de séparer les signaux d'alimentation selon différentes zones.

Avec les cartes numériques fonctionnant en courant continu (avec éventuellement un bruit superposé provenant d'un régulateur à découpage), il faut nécessairement diviser le plan d'alimentation du circuit imprimé ou utiliser plusieurs plans d'alimentation pour acheminer des courants importants à des niveaux standard de noyau/logique jusqu'aux composants numériques.

Mais qu'en est-il des signaux d'alimentation analogiques et de l'alimentation qu'ils fournissent ? Comment faut-il les agencer durant le routage d'un circuit imprimé à signaux mixtes ?

Lorsque vous commencez à mélanger des sections analogiques et numériques dans des couches d'alimentation à plusieurs signaux, il peut être difficile de mettre en place une alimentation propre dans une conception si vous ne faites pas suffisamment attention au routage. À des fréquences élevées, cela peut créer un problème d'EMI perceptible et même de fréquences RF lorsque les zones des différents types de plans se superposent.

Dans ce cas, nous devons réfléchir à la façon d'entremêler les zones d'alimentation et de masse dans une carte composée de nombreuses couches ou bien de séparer les différentes zones d'alimentation dans une carte composée de peu de couches.

Le problème du plan de circuit imprimé à signaux mixtes

Dans le routage des circuits imprimés à signaux mixtes, la conception de plans et la conception d'empilages est la façon d'organiser les masses et les signaux d'alimentation, et même de savoir ce que l'on considère comme une masse.

Supposons, par exemple, que vous décidiez d'avoir un plan de masse exclusivement analogique et un plan de masse exclusivement numérique (pour information, vous ne devriez probablement pas faire cela) ; si ces sections de plan sont physiquement déconnectées, laquelle d'entre elles est définie comme 0 V ? Ne partagent-elles le même potentiel que si elles sont reliées par des condensateurs ? Il s'agit d'une question fréquente dans le routage de circuits imprimés à signaux mixtes.

La même question peut se poser avec deux plans d'alimentation, ou plutôt deux conducteurs séparés par un isolant et entre lesquels la différence de potentiel est non nulle.

Si vous pensez que cela ressemble à un condensateur, vous avez raison ! Si vous avez deux plans ou polygones séparés l'un de l'autre par le diélectrique isolant, vous avez créé un condensateur. Cela signifie que les plans d'alimentation se chargeront et se déchargeront lorsqu'un potentiel se développera à travers eux, qu'il s'agisse de deux plans d'alimentation, deux plans de masse, ou d'un plan d'alimentation et d'un plan de masse.

Observez l'agencement des polygones ci-dessous. Les polygones violets fournissent l'alimentation VDD à deux circuits intégrés, qui est une tension continue ; les couches adjacentes sont la masse. La région bleu clair correspond à un autre signal CC relevant d'une tension différente fournie par un autre régulateur. La question est la suivante : que se passerait-il si on les empilait dans un circuit imprimé multicouche ?

L'agencement ci-dessus montre deux signaux CC, une situation que je vais aborder plus en détail plus tard, mais que se passerait-il si la région bleu clair était un signal d'alimentation analogique ?

Dans les schémas de circuits imprimés à signaux mixtes, nous devons nous poser la question suivante : comment agencer les plans qui se superposent afin d'éviter de coupler le bruit entre les différentes zones de la carte ?

N'oubliez pas que l'un des principaux défis du routage de circuits imprimés à signaux mixtes est d'éviter les interférences involontaires entre les signaux analogiques et numériques, qui vont principalement dégrader les signaux analogiques. La capacité entre deux couches planes est problématique ici, et elle l'est encore plus avec de hautes fréquences.

Ce qui suit vous aidera à mieux comprendre les effets de la superposition de plans à des potentiels différents, notamment dans les circuits imprimés à signaux mixtes.

Superposition d'une alimentation CC et d'une alimentation analogique

Lorsque vous superposez des polygones ou des plans numériques et analogiques, la capacitance entre les deux zones d'alimentation est constamment chargée et déchargée sous forme de courant de déplacement en raison de l'oscillation qui se produit dans le plan analogique. Voici une illustration conceptuelle de ce phénomène :

À hautes fréquences et à haute puissance, par exemple lorsque l'alimentation d'un signal RF est assurée par un bus d'alimentation analogique, ce couplage entre les plans peut créer des émissions RF en raison du courant de déplacement oscillant de chaque côté des zones du plan.

Cela peut s'avérer problématique dans les produits d'alimentation à haute fréquence, qui peuvent alors provoquer des résonances structurelles à l'intérieur de la carte. Cela entraîne de fortes émissions sur le bord de la carte si certaines mesures de suppression n'ont pas été prises, comme le recours à la technique de via stitching ou à des polygones plus complexes comme les structures à bande interdite électromagnétique utilisées pour l'isolation d'antennes.

Utilisez un plan unique et non divisé

Par « non divisé », je veux dire un plan de masse qui ne comporte aucune section physiquement déconnectée. Il est conseillé de placer les circuits analogiques et les circuits numériques dans des zones différentes au-dessus de la masse uniforme, l'idée étant de profiter des chemins de retour haute fréquence/haute vitesse pour créer une certaine isolation.

Cela permet également d'éviter à avoir à faire passer les traces analogiques/numériques d'un côté à l'autre de la carte, ce qui réduit les risques de diaphonie. J'ai abordé ce sujet en détail dans un récent article qui explique pourquoi il est préférable d'utiliser un plan de masse uniforme.

Pourquoi pas deux plans CC à différents potentiels ?

Lorsque vous avez deux plans d'alimentation à des tensions continues différentes, ils se chargeront initialement à leurs tensions continues respectives, et il n'y aura pas de courant de déplacement traversant les plans dans cet état stable.

Cependant, les plans CC ne sont pas vraiment à un potentiel CC. Notez qu'en raison du bruit causé par les régulateurs de commutation ou du bruit transitoire causé par la chute masse/rail, il se peut que le potentiel de chaque plan ne soit que nominalement CC et s'accompagne d'un bruit de commutation superposé dans chaque plan. Le bruit atypique qui peut se coupler entre deux plans CC est :

1. Bruit de commutation provenant des régulateurs, pouvant couvrir de nombreuses harmoniques et atteindre de hauts niveaux de MHz
2. Bruit provenant d'autres sources, telles que du bruit en mode commun ou toute interférence électromagnétique émise par des éléments rayonnants externes

RÉSUMÉ

Si vous reliez toutes les masses à un seul plan de référence pour la masse de votre système, toutes les masses utilisées auront (ou devraient avoir) la même définition de potentiel 0 V dans le système. Cela signifie que la distinction entre masse analogique et masse numérique n'a pas d'importance et que nous devons uniquement nous préoccuper de l'alimentation analogique et numérique.

Il n'est pas évident de déterminer le meilleur agencement des plans d'alimentation et de masse d'un circuit imprimé, y compris d'un circuit imprimé à signaux mixtes. Utilisez les outils de CAO d'Altium Designer® pour définir les zones d'alimentation et de masse de votre carte et créer le routage physique.

Pour évaluer l'intégrité des signaux et les interférences électromagnétiques du routage d'un circuit imprimé, les utilisateurs d'Altium Designer peuvent utiliser l'extension EDB Exporter pour importer leur conception dans les solveurs de champs Ansys et procéder à une série de simulations puissantes permettant d'évaluer l'intégrité des signaux.

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