Techniques de mise à la masse des circuits imprimés pour les trous de montage de PCB plaqués

Chaque fois que vous placez votre carte dans un boîtier, elle doit être fixée à celui-ci d'une manière ou d'une autre. Afin d'assurer un montage sûr sans endommager la surface du PCB avec une vis, il est courant de placer simplement des trous traversants plaqués dans les angles. Le pad de ces trous de montage de PCB est généralement exposé sous le vernis d'épargne afin de pouvoir connecter électriquement, si nécessaire, le point de montage à l'un de vos filets. Une question qui se pose souvent dans ce cas concerne la mise à la masse et les trous de montage du PCB. Les trous de montage doivent-ils être mis à la masse dans la conception, et si oui, comment ? Doivent-ils toujours être connectés au châssis, uniquement reliés à une masse interne, ou ailleurs ?

C'est une question amusante, et la réponse est généralement « toujours » ou « jamais ». Une personne vous dira qu'elle met toujours ses trous de montage à la masse sur un boîtier, tandis que quelqu'un d'autre affirmera qu'il ne faut jamais le faire, car cela endommagerait la conception. Comme la plupart des règles de conception qui ont tendance à diviser, la vraie réponse est plus compliquée et implique de nombreux aspects de la conception, allant de l'alimentation d'entrée à la structure de votre système de mise à la masse. Si vous comprenez comment l'alimentation et la masse sont définies à l'entrée de votre PCB, il sera plus facile de concevoir une stratégie de montage qui tiendra compte de la masse.

Comment concevoir les trous de montage des PCB

Comme leur nom l'indique, les trous de montage du PCB sont utilisés pour fixer votre circuit imprimé à un boîtier. Certains points font l'unanimité en ce qui concerne les trous de montage des PCB:

• Les trous de montage doivent généralement être plaqués car cela permet de les fixer avec des vis métalliques.
• Comme les éléments métalliques flottants peuvent être des sources d'EMI, les trous de montage doivent être reliés à un réseau de masse (terre (PE), masse de signaux (SGND), boîtier mis à la terre, etc.).
• Les trous de montage doivent être dimensionnés de manière à pouvoir accueillir des éléments de fixations de taille standard.
• Les trous de montage peuvent être non plaqués, bien que cette pratique ne soit souhaitable qu'avec des vis ou des entretoises en plastique utilisées dans la conception.

J'ai abordé ce sujet de manière un peu plus détaillée dans un article précédent sur les trous métallisés sur les bords du circuit, principalement parce que certaines ressources importantes ne font pas la distinction entre les trous de montage et ceux métallisés sur les bords du circuit. Pour les concepteurs, c'est une distinction importante, car les trous de montage feront presque certainement partie du système de mise à la masse de votre carte, et vous devez réfléchir à la manière dont cela affectera les EMI et la sécurité de votre conception.

Il est recommandé de connecter les trous de montage plaqués au boîtier, et votre châssis de masse peut être connectée à une terre si une telle connexion est disponible. Cependant, ce n'est pas toujours le cas, comme dans un système alimenté par batterie avec des éléments métalliques dans le boîtier. Selon la façon dont les trous de montage du PCB, le boîtier et la terre sont connectés, l'appareil peut subir des EMI ou provoquer un choc électrique pour l'utilisateur. Le dernier cas est un problème qui peut se produire sur une alimentation d'ordinateur lorsque le châssis de l'alimentation n'est pas bien mis à la terre (lorsqu'il est branché) ou sur le terminal d'alimentation négatif (lorsqu'il est débranché). Si les techniques de mise à la masse du PCB sont correctement mises en œuvre, y compris avec une connexion à la terre appropriée, toute connexion à la masse flottante peut être éliminée, ce qui est l'une des principales utilisations des trous de montage de PCB mis à la masse dans un boîtier métallique.

Techniques de mise à la masse des PCB et trous de montage

L'image ci-dessus ne doit pas être considérée comme une généralisation excessive ; dans certains cas, il se peut que vous n'ayez pas besoin que le trou de montage soit mis à la masse sur la carte, mais plutôt sur le boîtier. Dans d'autres cas, vous n'aurez pas le choix : vous devez mettre à la masse le trou de montage sur une connexion interne car il n'y a pas d'autre endroit pour le faire. La technique de mise à la masse du PCB que vous utilisez pour un trou de montage doit tenir compte du courant que vous devez gérer, de la fréquence de ce courant et des problèmes de sécurité tels que les DES. Malheureusement, il n'existe pas d'approche unique qui réponde à toutes les situations possibles, mais j'espère que les points ci-dessous illustrent comment réfléchir aux mises à la masse qui surviennent lors du montage d'un PCB.

Cas 1 : courant continu faible, aucune isolation galvanique

Les tableaux ci-dessous présentent quelques situations qui devraient illustrer comment gérer un trou de montage de PCB plaqué dans le cadre des techniques de mise à la masse standard des PCB. Ici, nous envisageons les cas avec courant continu à 3 fils (POS, NEG et une connexion GND à la terre), courant continu à 2 fils (POS et NEG uniquement) et courant alternatif à 3 fils rectifié en courant continu.

De toute évidence, ce ne sont pas les seules situations possibles dans lesquelles vous devrez définir le GND à faible courant. Ces directives sont principalement destinées à la suppression des EMI du boîtier métallique (ou d'un boîtier en plastique avec des éléments métalliques) en réglant le boîtier et le plan de masse du circuit imprimé sur le même potentiel.

Dans le système à 3 fils et dans le système à 3 fils CA/2 fils CC, si vous devez connecter le GND avec la terre et l'alimentation négative à l'intérieur du système, faites-le au point d'entrée. De cette façon, vous évitez les boucles GND et vous vous assurez que les éléments métalliques du boîtier assurent un blindage et ne flottent pas. Cela imite le câblage résidentiel : la connexion entre la masse de votre circuit et la masse du système n'est assurée qu'à l'entrée du système (par exemple, au niveau du disjoncteur), mais PAS au point où l'alimentation est renvoyée au GND. Cependant, cette connexion est généralement créée au niveau de la prise murale ou du disjoncteur, et une connexion supplémentaire de la carte au boîtier peut créer une petite boucle de masse à travers le câble d'entrée.

Problèmes liés au cas 1 dans un boîtier métallique

Courant continu à 3 fils avec terre/châssis connecté : si des trous de montage de PCB relient le GND du PCB avec le boîtier en un point, vous pourriez avoir une boucle GND sur le cordon lorsque sa partie amont est connectée à la terre. Si vous êtes connecté à plusieurs points, vous disposez de connexions de sécurité supplémentaires au GND et d'un bon chemin vers la terre pour éviter les courants parasites, les décharges électrostatiques, etc., mais vous risquez de créer des boucles de masse en courant continu autour de la carte via le boîtier (évitez ces connexions avec des connexions solides à faible impédance). Même s'il n'y a qu'un seul point de montage plaqué sur le PCB, vous pouvez toujours avoir des courants à couplage capacitif pour le bruit haute fréquence, ce qui entraîne un bruit de mode commun vers l'entrée. Le meilleur équilibre entre sécurité, suppression des EMI et faible bruit est de plaquer les trous de montage, de les connecter au boîtier métallique, mais de les déconnecter de la masse des signaux du PCB ; vous pouvez toujours créer des chemins pour les DES avec des circuits de suppression si nécessaire.

Cela pose certains problèmes potentiels. Vous devez assurer une connexion à la terre de faible impédance si vous voulez avoir un effet sur la sécurité.

Alimentation à 3 fils rectifiée à 2 fils : si le boîtier est métallisé, vous ne devez relier le GND du PCB au boîtier qu'à travers les trous de montage plaqués. Cela s'applique lorsque votre câble n'est pas blindé et n'est alimenté que par deux fils. Cependant, lorsque tout (redresseur + sortie CC) se trouve sur une seule carte, vous devez suivre les instructions précédentes pour un système général à 3 fils. Faites attention aux éventuelles boucles GND ; le courant continu peut avoir des problèmes de boucle à travers le boîtier/plan GND s'il y a plusieurs connexions des trous de montage au GND, mais plusieurs connexions sont généralement préférables si votre problème est un bruit à haute fréquence ou à la possibilité de multiples sources de DES en différents points de la carte. Pensez au problème spécifique que vous souhaitez résoudre

Courant continu à 2 fils : Ce cas se produit lorsque vous avez une batterie ou une alimentation de paillasse et il peut être équivalent au cas précédent. Encore une fois, réfléchissez au problème que vous voulez résoudre avant d'emprunter cette voie ; vous devez vous assurer que votre stratégie de mise à la masse tient compte des problèmes que vous devez résoudre, car il n'existe pas de méthode de mise à la masse qui permette de résoudre tous les problèmes. Je le mentionne ici parce que, dans l'électronique d'aujourd'hui, de nombreux appareils utiliseront exactement cette configuration à 2 fils et essaieront de trouver un équilibre entre sécurité et bruit RF tout en essayant de supprimer le bruit de mode commun.

Si vous avez affaire à une batterie, les courants sont généralement suffisamment faibles pour que, tant que vous avez des connexions à très faible impédance à l'entrée de l'alimentation, vous puissiez relier le boîtier avec la carte GND à travers des trous de montage de PCB plaqués. Idéalement, cela se fait en un seul point (l'entrée de l'alimentation) si vous voulez simplement relier les masses entre elles et vous assurer que rien ne flotte. Le faire en plusieurs points offre une plus grande sécurité contre les DES/courants parasites à différents endroits, notamment près des connecteurs (voir l'exemple de l'Ethernet industriel) ; c'est en fait ce que fait votre ordinateur portable avec son boîtier métallique lorsqu'il est débranché. Cependant, des courants circulent désormais dans le boîtier (et peut-être à travers l'utilisateur) et des boucles de masse ont pu se créer, ce qui nuit à la sécurité de l'utilisateur et aux applications de mesure de précision.

La situation idéale que je décris pour le système d'alimentation en courant continu à 3 fils et le système d'alimentation en courant continu rectifié à 3 fils/2 fils est de connecter la terre et le boîtier par un seul trou de montage situé à l'entrée d'alimentation, et uniquement avec le trou de montage relié au plan de masse du PCB. L'impédance entre le boîtier et la terre doit être aussi faible que possible, généralement au moyen d'une grande vis ou d'une cosse de mise à la masse.

Malheureusement, il n'est pas toujours pratique de tout mettre à la masse avec un seul trou de montage plaqué à l'entrée du PCB ; les PCB avec un seul trou de montage peuvent avoir ce trou placé au centre de la carte, qui n'est pas toujours l'entrée d'alimentation. En général, il existe plusieurs trous de montage, qui se trouvent aux angles de la carte, mais sur une grande carte, ils peuvent être répartis autour du PCB pour fournir un support structurel et empêcher les vibrations. Si tous les trous de montage sont plaqués et établissent la même connexion entre la carte et le boîtier, des boucles de masse sont susceptibles de se créer. Ensuite, il y a toujours un couplage capacitif pour le bruit haute fréquence, ce qui crée un bruit de mode commun renvoyant vers le côté E/S de la carte, c'est-à-dire une boucle de masse à couplage capacitif pour le bruit haute fréquence.

De toute évidence, il est nécessaire de trouver un équilibre entre l'utilisation de plusieurs trous de montage plaqués pour assurer une sécurité maximale contre les décharges électrostatiques, l'utilisation d'un trou de montage plaqué et laisser tous les autres non plaqués pour éviter les boucles de masse et le bruit, et la garantie que le boîtier est relié à la masse pour réduire les EMI et obtenir un blindage élevé. Réfléchissez bien à vos exigences de conception avant de relier le GND de votre PCB au boîtier et à la terre à l'aide de trous de montage plaqués.

Cas 2 : courant élevé avec isolation galvanique

Ce cas peut être délicat car, ici, le bruit n'est pas toujours le problème majeur, mais plutôt la sécurité. Ce type de système est courant pour les alimentations électriques, et l'un des objectifs de l'isolation galvanique est d'empêcher un choc provenant du côté primaire d'atteindre le côté sortie. De plus, nous ne voulons pas détruire l'isolation en reliant les côtés d'entrée et de sortie du système avec des connexions au boîtier.Par conséquent, utilisez une connexion à la terre sur le boîtier et connectez le PCB avec des trous de montage plaqués uniquement au châssis.

Dans ce cas, il est fortement recommandé de mettre le châssis à la masse, de relier le PCB à la terre uniquement à l'entrée d'alimentation, puis d'utiliser des trous de montage plaqués pour se connecter uniquement au châssis, comme illustré sur l'image ci-dessus. Sur le côté secondaire/sortie d'un système isolé, procédez de la même manière : connectez uniquement les trous de montage plaqués au châssis, mais pas au GND du PCB du côté secondaire. Pour éviter les émissions rayonnantes bruyantes de la région GND secondaire, reliez les régions GND primaire et secondaire à un condensateur de classe Y. Cela garantira une isolation galvanique pour les courants continus, mais assurera que toutes les régions GND sont au même potentiel pour les courants alternatifs.

Conseils de base pour la conception de trous de montage de PCB

Un trou de montage de PCB est vraiment une caractéristique électrique que vous pouvez considérer comme acquise dans votre conception. D'un point de vue mécanique, assurez-vous de les dimensionner avec un trou et un pad suffisamment grands pour accepter une vis tout en permettant une connexion électrique à faible impédance au châssis si nécessaire. Outre ces points, il est important de se rappeler que la mise à la masse de tous vos trous de montage vers un boîtier métallique ne résout pas tous les problèmes. Les techniques de mise à la masse des PCB que vous mettez en œuvre avec vos trous de montage ne résolvent pas tous les problèmes d'EMI ou de sécurité. Veillez donc à élaborer une stratégie de mise à la masse qui réponde aux problèmes spécifiques de votre système.

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