Tout sur la référence de masse et la masse du châssis dans la conception électronique

Les concepts de techniques de mise à la terre, de mise à la masse, de réalisation de connexions de masse sur les PCB et de mise à la masse du châssis sont tous très complexes en électronique, malgré les normes internationales qui ont tenté de séparer les concepts et la terminologie. La mise à la terre est importante dans tous les aspects de la conception électronique, des travaux électriques et, bien sûr, dans la conception des PCB. Tous les circuits nécessitent une connexion de référence, que nous appelons masse, mais la référence exacte est définie de différentes manières pour divers systèmes.

Si vous n'êtes pas sûr de comment fonctionnent les masses des PCB dans différents types d'électroniques et comment utiliser les connexions de masse, il n'y a pas de réponse simple qui s'applique à chaque système. Différents types d'électroniques auront différentes manières de définir leur référence de potentiel, et toutes les masses ne sont pas toujours au même potentiel, contrairement à ce que vous pourriez avoir appris dans un cours d'électronique introductif. Dans cet article, nous adopterons une approche au niveau du système pour définir et intégrer les masses numériques, les masses analogiques, les masses de châssis et, finalement, une connexion à la terre. Continuez à lire pour apprendre comment la masse est finalement connectée à votre PCB et ultimement à chaque composant de votre système.

Qu'est-ce que la Référence de Masse dans un Circuit et à Quoi Sert-elle ?

Il existe plusieurs façons de définir la terre, selon à qui vous demandez. Les physiciens la définissent d'une manière particulière (principalement théorique), tandis que les électriciens et les ingénieurs électriques pourraient littéralement se référer à la terre sous vos pieds (terre à terre). En électronique, nous faisons parfois référence à la terre comme remplissant diverses fonctions de manière interchangeable. Voici quelques-unes des fonctions principales de la terre en électronique :

• La terre fournit un point de référence qui est utilisé pour mesurer les tensions. Toutes les tensions sont définies en termes de champ électrique (et d'énergie potentielle) entre deux points. L'un de ces points peut être défini comme "0 V", et il se trouve que nous appelons cette référence de 0 V une "terre". C'est l'une des raisons pour lesquelles nous disons qu'un plan de masse dans un PCB est un "plan de référence".
• La terre peut être utilisée pour fournir un chemin pour le courant de retour vers la source d'alimentation, complétant ainsi un circuit.
• Conceptuellement, la terre agit comme un grand réservoir de charge qui définit également la direction du flux de courant. Puisque nous considérons la terre comme notre référence de 0 V, les tensions au-dessus ou en dessous de cette valeur (positive ou négative) entraîneront un flux de courant dans différentes directions par rapport à l'emplacement de la terre.
• La terre fournit un point où les champs électriques se terminent. Cela représente vraiment une variation sur le premier point. Si vous avez déjà dû résoudre des problèmes de méthode des images en classe d'électromagnétisme, vous devriez vous rappeler que la terre est définie comme une surface équipotentielle spécifiquement maintenue à 0 V. Notez que cette définition s'applique également à tout conducteur maintenu à une tension spécifique (par exemple, un plan de puissance dans un PCB).
• La chute de tension à travers un conducteur de terre parfait est de 0 V. En d'autres termes, si vous mesurez la tension entre deux points quelconques dans une référence de terre, vous devriez toujours mesurer 0 V. Cela est une reformulation du point 2 ci-dessus.

Dans la conception de PCB, nous parlons souvent de la terre en termes des points 1 et 3 car cela définit comment l'alimentation est fournie aux composants, et comment les signaux numériques/analogiques sont mesurés dans une conception. Les spécialistes EMI/EMC parleront parfois de la terre en termes du point 4 car cela décrit essentiellement la fonction des matériaux de blindage. Tout le monde accepte le point 5 comme un évangile, bien que le point 5 ne se produise pas dans la réalité.

Maintenant que nous avons couvert ces points, il y a certaines choses à réaliser concernant la mise à la terre et les différents types de terres en électronique.

Toutes les Terres Sont Imparfaites

Bien que toutes les zones de masse soient destinées à avoir les caractéristiques mentionnées ci-dessus, la nature réelle des conducteurs signifie qu'ils fonctionnent différemment lorsqu'ils sont utilisés comme référence de masse. De plus, la géométrie d'une zone de masse détermine comment elle interagit avec les champs électriques et magnétiques, ce qui influence ensuite la manière dont le courant se déplace dans et au sein d'une zone de masse. C'est pourquoi différents signaux auront un chemin de retour particulier qui dépend de leur contenu fréquentiel. En outre, toutes les masses ont une résistance non nulle, ce qui nous amène au point suivant concernant les masses réelles.

Toutes les masses ne sont pas à 0 V

Les conducteurs qui sont laissés flottants, ou les conducteurs dans un système qui sont référencés à différentes sources d'alimentation, peuvent ne pas avoir le même potentiel de 0 V. En d'autres termes, vous pourriez avoir deux références de masse pour deux pièces d'équipement différentes, toutes deux étant connectées à la même référence, mais si vous mesurez le potentiel entre elles, vous mesureriez une tension non nulle.

Cela peut même se produire lorsque deux dispositifs se réfèrent au même conducteur comme une connexion à la terre. Si vous mesuriez la différence de potentiel à travers un long conducteur (par exemple, avec un multimètre), elle pourrait ne pas être nulle, signifiant qu'un certain courant est entraîné le long du conducteur. Cette différence de potentiel le long d'une grande masse ou entre deux connexions à la terre est appelée "décalage de masse". Dans les systèmes multi-cartes plus importants, ou dans des domaines comme l'équipement industriel et de réseau, le décalage de masse est l'un des moteurs de l'utilisation de la signalisation différentielle (par exemple, bus CAN, Ethernet, etc.). Comme les protocoles différentiels utilisent la différence de tension à travers deux fils, leurs références de masse respectives sont sans importance, et les signaux peuvent toujours être interprétés.

Types de masses en électronique

En électronique, il est facile pour un nouveau concepteur de se confondre avec la terminologie variée utilisée pour les masses impliquées dans la conception de PCB : numérique, analogique, système, signal, châssis et terre. Ajoutez à cela le fait que les symboles représentant la masse sont mélangés et souvent mal utilisés, quelque chose dont je suis certainement coupable de faire purement par commodité. Néanmoins, il existe certains symboles de masse standard qui sont utilisés en génie électrique et électronique, y compris dans vos schémas électroniques.

Différents types de connexions à la terre sont indiqués dans les schémas en utilisant les symboles définis dans les normes IEC 60417. Les symboles couramment utilisés dans la conception de PCB sont présentés ci-dessous :

Le symbole de la terre de signal peut être utilisé pour la terre numérique ou analogique, assurez-vous simplement d'appliquer le bon nom de réseau (j'utilise parfois AGND pour la terre analogique et DGND pour la terre numérique). La terre du châssis du PCB est parfois reliée à la terre physique, selon la construction du système et la manière dont il est alimenté. Enfin, la terre de sécurité peut parfois être connectée directement à la terre via un fil neutre, ou au châssis, ou éventuellement à la terre via une connexion de châssis à faible inductance.

Terre Physique

Le terme "terre" en électronique, ou simplement "la terre", fait référence à une connexion littérale avec la terre. En d'autres termes, le potentiel de la terre est utilisé comme notre référence de masse à 0 V. Si vous avez déjà regardé un poteau électrique qui porte des lignes électriques, vous pouvez parfois voir un fil qui descend le long du poteau et entre dans la terre. C'est une connexion à la terre qui est imparfaite car la résistance dans le sol le long du câble peut être élevée. Cependant, utiliser la terre fournit le grand réservoir de charge qui est caractéristique d'une connexion de masse souhaitable. Cette connexion n'est pas destinée à transporter du courant lorsque les charges consomment de l'énergie, elle ne transporte du courant que lors de la dissipation de courants parasites (par exemple, bruit ou événements ESD).

Connexions de Masse au Châssis PCB

Un point important à noter en électronique est que tous les systèmes n'auront pas de connexion à la masse du châssis. Normalement, ce terme fait référence à un châssis métallique qui se trouve dans un boîtier, et une connexion est réalisée avec le châssis. Dans les systèmes AC à 3 fils (fils chaud, neutre et terre) ou dans les systèmes DC à 3 fils (DC+, commun DC et fils de terre), la masse du châssis est normalement connectée à la terre au point où l'alimentation entre dans la prise du système. Une partie du système peut également être connectée à la masse du châssis PCB pour évacuer le bruit ou pour des raisons de sécurité (par exemple, protection ESD), comme dans l'exemple ci-dessous. Cet arrangement fournit une filtration du bruit en mode commun pour une entrée AC ou DC sur une connexion à 3 fils.

Ce type de connexion à la terre offre trois fonctions :

1. Comme le châssis est maintenant fixé à un potentiel de référence de masse global de 0 V, le châssis agit comme une cage de Faraday et offre un blindage large bande.
2. Il assure une fonction de sécurité qui dissipe les courants parasites (ESD, courts-circuits ou bruits) vers la terre. C'est une raison pour laquelle nous appelons parfois la masse du châssis une "masse de sécurité".
3. Il peut fournir un puits à faible impédance pour le bruit en mode commun sur ce filtre EMI d'entrée sans avoir à placer une ferrite ou une grosse bobine d'arrêt sur la carte.

Dans un système alimenté par batterie, ou dans un système avec une simple connexion d'alimentation CC à 2 fils, le plan de masse du PCB peut être relié au châssis via des trous de montage. L'idée ici est de s'assurer qu'il n'y a pas de conducteur flottant car un conducteur non relié à la terre peut agir comme un radiateur en raison du couplage capacitif du courant dans le châssis. Un châssis non relié à la terre ou d'autres conducteurs flottants dans la carte peuvent être des sources d'EMI rayonnées qui peuvent être facilement éliminées en se connectant à une terre.

Masse Analogique et Numérique

Les masses analogiques et numériques sont deux problèmes différents des connexions à la terre et au châssis. Typiquement sur le PCB, vous pouvez avoir une connexion à la masse du châssis comme décrit ci-dessus et la connexion à la terre pour la sécurité. Pendant ce temps, vous devriez avoir un plan de masse sur le PCB qui supporte à la fois les chemins de retour analogiques et numériques ; vous ne devriez pas avoir de réseaux de masse physiquement séparés. Ces masses séparées physiquement peuvent créer de fortes émissions rayonnées lorsqu'elles se chevauchent dans l'empilement, particulièrement à des fréquences de guide d'onde à plaques parallèles. Au lieu de cela, faites tout sur une seule référence de masse dans votre PCB

Pour en savoir plus sur ces points concernant la masse analogique et numérique, lisez cet article sur la mise à la terre en étoile, car il explique les principales raisons pour lesquelles vous ne devriez pas utiliser des plans de masse physiquement séparés.

Devriez-vous connecter la masse du signal à la terre ?

Il n'est pas très courant de faire cela directement. Cela pourrait être approprié dans le cas de batteries ou d'alimentations DC haute tension, ou de systèmes similaires en cours de test. Généralement, la masse du châssis pourrait se connecter à la terre, qui se connecte ensuite à un circuit qui fait référence à un plan de masse de PCB du côté entrée (par exemple, le filtre EMI d'entrée avant un redresseur). Dans un système AC non isolé à 3 fils, ou dans un système AC à 3 fils qui est redressé en DC, si vous connectez la masse de référence du signal dans un circuit à la terre, vous êtes juste en train de court-circuiter le fil négatif sur la ligne AC ou DC. Ne faites pas cela car maintenant le châssis peut être un grand conducteur porteur de courant ! Il y a maintenant un risque de choc (dans les systèmes à haute tension/courant) ou d'EMI intense (dans les systèmes à haute fréquence). Lorsque cela est fait, le courant se déplacera vers la connexion à la terre tant que c'est le chemin de moindre réactance vers la terre, et ce chemin pourrait être à travers quelqu'un qui touche l'appareil alors qu'il transporte un courant élevé.

Dans un système à 2 fils (sans connexion à la terre), il existe différentes directives sur la manière de connecter ou non la masse du signal au châssis. Certaines directives indiquent qu'une mise à la terre multipoint est acceptable, d'autres recommandent d'utiliser un point unique près de l'E/S, et d'autres encore suggèrent d'utiliser un point unique près du connecteur d'alimentation pour des raisons de sécurité. Si le bruit RF pose problème dans tout le système, vous pouvez le relier au châssis en plusieurs points pour dissiper le bruit, mais vous avez probablement un problème plus important dans votre agencement car vous n'avez pas correctement construit l'empilement, et l'appareil reçoit simplement trop d'énergie radio. Concentrez-vous sur la construction correcte de l'empilement et vous n'aurez peut-être pas besoin de relier les connexions des trous de montage partout sur la carte, il suffira de le faire en quelques points. Vous ne devriez pas réaliser de connexion de retour à la terre dans ce cas.

Résumé sur les techniques de mise à la terre des PCB

Avec un PCB étant le récipient qui contient votre électronique, il est important de bien réaliser la mise à la terre du châssis. Comme nous l'avons discuté ci-dessus, votre stratégie de mise à la terre du châssis est pertinente pour la sécurité, l'EMI/EMC, et la conception des systèmes, donc il est important de bien faire les choses. Bien que la présence de multiples mises à la terre de PCB dans votre conception puisse sembler confuse, les meilleurs outils d'édition de schémas et logiciels de disposition de PCB vous aideront à suivre les réseaux de terre tout au long de la conception lorsque vous créez votre agencement physique.

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