Conception de PCB, les erreurs de débutant à éviter

Lorsque l'on débute dans la conception de circuits imprimés, on pense souvent qu'il suffit de « connecter des points » : tant que les connexions sont établies, la manière dont elles sont établies n'a pas grande importance.

Malheureusement, la vérité est tout autre. En tant qu'ingénieurs en conception de circuits imprimés, et compte tenu des vitesses toujours plus élevées des appareils électroniques et des normes d'émissions de plus en plus strictes, nous devons prendre en considération les détails les plus complexes d'un circuit imprimé et de nos interconnexions. Que se passe-t-il si on ne fait pas attention ? Vous vous exposerez à des problèmes d'intégrité du signal et de compatibilité électromagnétique.

Après avoir examiné un certain nombre de cartes réalisées par d'autres ingénieurs ces dernières années, et en repensant à certaines de mes premières conceptions, j'ai constaté que beaucoup d'entre elles présentaient des caractéristiques communes, malheureusement incorrectes.

Cet article vise à illustrer les cinq erreurs de conception les plus fréquemment commises par les concepteurs débutants, et ce que nous pouvons faire pour les éviter. C'est parti !

Espacement des pistes

Les fabricants imposent des restrictions quant à l'espacement minimal entre les pistes qu'ils peuvent fabriquer. De manière générale, plus l'espacement requis est réduit, plus la carte sera coûteuse.

C'est la première erreur fréquemment commise par les débutants : ils supposent que respecter l'espacement minimum autorisé ou pouvant être fabriqué sera suffisant. Dans ce cas, les pistes de tous types de signaux se retrouveraient collées les unes aux autres avec pour seule limite la règle de conception imposée par le fabricant.

Malheureusement, cette méthode est non seulement plus difficile à mettre en place, ce qui est susceptible de réduire le rendement des circuits imprimés, mais elle augmente également de manière significative le couplage piste à piste, ce qui entraîne une hausse de la diaphonie et du bruit.

Il est ainsi déconseillé d'avoir de longs segments de pistes parallèles très rapprochées, à moins que ce ne soit tout simplement inévitable.

Ainsi, notre premier conseil, très simple, est de laisser un espacement adéquat entre les pistes. En règle générale, cela représente au moins trois fois l'espacement entre la couche de signal et la couche de référence adjacente. Par exemple, pour une épaisseur du diélectrique de 0,11 mm, nous chercherons à atteindre un espacement minimum de 0,33 mm, mais de préférence encore plus grand.

Largeur des pistes

Une autre erreur courante consiste à utiliser la même largeur pour tout type de piste, qu'il s'agisse d'une piste d'alimentation, d'un nœud à impédance élevée, d'un signal haute vitesse, etc.

Il peut sembler pratique d'utiliser la même largeur de piste sur l'ensemble de la conception, mais ce n'est certainement pas optimal.

Les pistes et leur largeur doivent être dimensionnées en tenant compte de différents facteurs. Par exemple, une piste qui transporte un courant plus important doit être plus large, une piste de signal à impédance élevée et sensible doit être plus fine, et une piste pour des signaux RF devra généralement être à impédance contrôlée.

Beaucoup seront surpris de constater que, par exemple, une piste de 0,2 mm de large peut supporter jusqu'à environ un ampère de courant pour une hausse de température de seulement 20 degrés Celsius !

Taille des vias

Comme pour les pistes, les vias doivent être dimensionnés de manière appropriée. Pour les vias, nous avons deux paramètres principaux à déterminer : le diamètre total du via et le diamètre du foret. En soustrayant le diamètre du foret du diamètre du via, puis en réduisant de moitié le résultat, on obtient l'anneau résiduel.

Une fois encore, le fabricant aura des capacités limitées en termes de diamètre du foret et d'anneau résiduel. Les concepteurs débutants optent généralement pour un diamètre de foret soit trop grand soit trop petit, ou pour un anneau résiduel trop petit pour être fabriqué de manière fiable (voire tout simplement impossible à fabriquer !).

Ma recommandation pour un via « standard » est un diamètre de 0,7 mm avec un foret de 0,3 mm. Un tel via pourra facilement transporter un à deux ampères de courant.

Découplage

Pour les ingénieurs débutants en conception de PCB, le découplage est un aspect souvent négligé. Toutefois, ce dernier est essentiel pour que le système se comporte bien et fonctionne correctement.

Un bon découplage avec des connexions à faible impédance garantit la bonne alimentation des circuits intégrés nécessitant une quantité importante d'énergie en un temps restreint. À mesure que les temps de montée et de descente des circuits intégrés diminuent et que les demandes en courant augmentent, ce point devient de plus en plus critique.

Nous pouvons obtenir un bon découplage en plaçant des condensateurs de découplage à proximité des broches des circuits intégrés concernées, en utilisant des pistes courtes et larges, et en plaçant les vias d'alimentation à proximité les uns des autres.

Plans de référence

La dernière astuce consiste à utiliser des plans de référence pleins (le plus souvent, des plans « GND » ou « 0V ») dans vos conceptions.

Un grand nombre d'ingénieurs de conception ne s'intéressent qu'au trajet vers l'avant d'un signal. Or, les signaux et l'électricité circulent en boucle fermée et doivent retourner à une source.

Il s'avère que lors du routage d'une piste de courant alternatif (fréquence supérieure à quelques kHz) sur un circuit, le courant de retour se trouve instantanément dans le plan inférieur. Cela est dû aux champs électromagnétiques contenant l'énergie réelle du signal qui sont générés entre la piste et le plan.

Par conséquent, nous devons nous assurer de disposer d'un plan de référence directement en dessous pour les signaux de courant alternatif. Il peut s'agir de 0V ou, dans certains cas, d'un plan d'alimentation de référence approprié. Nous devons également nous assurer que nous ne créons pas de grands vides ou séparations sur ce plan de référence et, si nous le faisons, que nous ne croisons pas ces séparations avec une piste sur la couche de signal. Cela engendrerait d'importants problèmes d'interférences électromagnétiques.