Qu'est-ce que la mise à la terre en étoile des circuits imprimés et pourquoi l'utiliser ?

Si vous cherchez sur Internet, vous trouverez des recommandations de mise à la terre intéressantes, mais parfois la terminologie est appliquée à un circuit imprimé sans le contexte approprié ou la compréhension du comportement électrique réel. En effet, les recommandations de courant continu sont appliquées au courant alternatif, le courant faible est appliqué au courant fort, et vice versa... la liste est longue. L'une des techniques de mise à la terre les plus intéressantes que vous trouverez, y compris sur certains blogs d'ingénierie, est l'utilisation de la mise à la terre en étoile des circuits imprimés.

Le terme n'est pas exclusif à la conception de circuits imprimés et celui-ci est utilisé dans une variété de contextes qui ne traitent pas directement de la définition de la masse sur le circuit imprimé. Il s'agit d'un terme d'analyse de systèmes, et il semble que ce terme ait été appliqué aux circuits imprimés sans que l'on prête attention aux aspects pratiques de la réalisation de connexions de masse dans un véritable circuit imprimé. Il existe certains agencements permettant d'imiter un sol en étoile, mais cet exercice s'avère peu pratique dès que l'on commence à y penser. La bonne façon de concevoir sur la carte est d'utiliser des plans de masse, sauf dans certains cas où vous avez peu ou pas de contrôle sur les chemins de retour, ou lorsque vous avez besoin d'une isolation.

Bien que la mise en œuvre de la mise à la terre en étoile dans un circuit imprimé soit difficile et pas toujours nécessaire, c'est quelque chose qui se fait, d'une certaine manière, dans le câblage domestique, commercial ou industriel. Dans un système multi-cartes, qui nécessite éventuellement une isolation ou de longues liaisons par câbles, vous pouvez également mettre en œuvre des conceptions intéressantes qui suivent la philosophie de mise à la terre en étoile du circuit imprimé, mais à une échelle un peu plus grande. Approfondissons cette idée de mise à la terre en étoile. Nous verrons un exemple où cette méthode de mise à la terre peut être appliquée dans un circuit imprimé sous certaines conditions.

Qu'est-ce que la mise à la terre en étoile ?

La mise à la terre en étoile est normalement utilisée pour connecter plusieurs modules, instruments ou autres équipements à un seul point de mise à la terre de sorte qu'ils aient tous le même potentiel. Les groupes de prises en chaîne de marguerite utilisés dans le câblage résidentiel sont fondamentalement disposés en étoile avec la terre comme point de référence ultime et de sécurité. La même idée est souvent appliquée à plusieurs modules ou instruments qui sont connectés au même circuit d'alimentation, à l'instar du câblage résidentiel (sans la chaîne de marguerite).

Lorsque ce terme est appliqué à un circuit imprimé, il encourage l'utilisation d'une stratégie de mise à la terre qui est mauvaise pour le routage (en particulier le routage à impédance contrôlée), mauvaise pour les EMI, et souvent mauvaise pour la distribution de l'énergie. Il existe un cas où vous pouvez créer un système à signaux mixtes exempt d'interférences électromagnétiques en mettant en œuvre une masse en étoile sur un circuit imprimé, mais il s'agit finalement d'un cas trivial qui n'apporte aucun avantage au concepteur. Il existe également une base où un cas analogue de conception multi-cartes implique une mise à la terre en étoile, mais celle-ci a la même topologie dans l'arrangement ci-dessus. D'autres cas, comme le courant continu ou l'audio/analogique à faible courant et basse fréquence, peuvent être appropriés pour une mise à la terre en étoile sur un circuit imprimé, mais cela dépend des autres fonctions qui peuvent être incluses dans le système.

Il est clair que la mise à la terre en étoile ne convient pas à tout le monde ni à toutes les conceptions, mais je continue à la voir recommandée comme une panacée pour les problèmes d'EMI, y compris dans les systèmes à signaux mixtes. Alors pourquoi est-il encore recommandé dans un circuit imprimé, alors qu'il n'était pas vraiment destiné à être utilisé dans un circuit imprimé ?

Pourquoi une mise à la terre en étoile dans un circuit imprimé est-elle recommandée ?

Il y a deux raisons pour lesquelles les gens continuent à recommander la mise à la terre en étoile dans un circuit imprimé :

• Fournir une isolation entre le numérique et l'analogique à haute fréquence,
• Empêcher les boucles de masse.

Examinons ces deux points.

Vous n'avez pas besoin d'une mise à la terre en étoile pour l'isolation

Cette recommandation découle d'une mauvaise directive de conception de longue date : vous devez placer des séparations ou des découpes dans les plans pour éviter les interférences haute fréquence et numériques. Cette directive est mauvaise pour le routage et pour les EMI, et celle-ci conduit à des choix de disposition maladroits qui n'ont pas toujours de sens.

L'idée de la mise à la terre en étoile est de placer un obstacle à haute impédance entre la voie de retour d'un type de signal (CC, CA basse fréquence) et un autre type de signal (haute vitesse, haute fréquence, etc.), ou entre deux groupes de circuits différents que vous voulez isoler sur leurs propres polygones de terre. Je vois trois cas où cela pourrait avoir du sens :

1. Les blocs de circuits sont totalement isolés et ne partagent qu'une seule connexion de masse à l’alimentation, il n'y a pas de routage entre chaque section ou d'interfaces pontant chaque section (pas de convertisseurs A/D ou D/A, etc.),
2. Vous utilisez des signaux en courant continu ou à très faible vitesse (circuits RC se chargeant/déchargeant lentement), notamment lorsqu'il est essentiel de garantir des valeurs SNR élevées (les mesures de précision en sont un exemple),
3. Vous devez séparer des signaux analogiques de bas niveau et de basse fréquence (c'est-à-dire des fréquences de l'ordre du kHz ou inférieures) d'une section numérique à basse vitesse ou à haute vitesse.

En dehors de ces cas particuliers, vous ne pouvez généralement pas justifier l'utilisation d'une mise à la terre en étoile dans un circuit imprimé en raison des problèmes d'interférences électromagnétiques et de diaphonie. Avec une mise à la terre en étoile impliquant des signaux numériques, vous ne pouvez pas effectuer de routage entre les sections de la carte car vous créeriez d'importantes EMI rayonnées. Tout signal que vous acheminez à travers l'espace entre les deux sections rencontrera une boucle à très haute inductance qui définit sa voie de retour.

Si vous traitez des MHz ou des hautes fréquences, et si vous utilisez des signaux numériques standard qui doivent être acheminés vers une interface proche de la section analogique, vous n'aurez pas besoin d'une masse en étoile si vous êtes attentif à la manière dont vous disposez la carte. L'isolation du chemin de retour ne sera pas un problème, les chemins de retour seront naturellement couplés capacitivement près des traces, plutôt que de s'étendre dans le plan de masse. Le meilleur choix ici est de séparer les circuits et composants analogiques et numériques en différentes régions au-dessus d'un plan de masse continu.

En ce qui concerne le cas n° 2 ci-dessus, cette solution est acceptable tant que l'interconnexion et la carte sont totalement blindées, mais c'est la mauvaise solution si des mesures sensibles qui ont une immunité élevée au bruit sont requises. Dans ce cas, le blindage au niveau de la carte et de l'enceinte peut être la solution, car il est possible d'obtenir une efficacité élevée du blindage.

La mise à la terre en étoile dans un circuit imprimé ne signifie rien pour les boucles de terre

L'autre raison pour laquelle la mise à la terre en étoile est recommandée dans un circuit imprimé est d'éliminer les boucles de terre, ou plutôt de les empêcher d'exister. Si votre conception a un problème de boucles de terre, c'est qu'il y a un autre problème dans la conception qui ne peut pas être résolu par une mise à la terre en étoile. Il s'agit d'un autre domaine dans lequel la conception de circuits imprimés a adopté la terminologie d'autres secteurs de l'électronique et l'a utilisée d'une manière qui n'était pas prévue :

1. Les concepteurs de circuits imprimés font parfois référence à une boucle de terre comme une boucle littérale qui transporte un courant de retour. Cela peut se produire (a) lorsque les traces du réseau GND sont acheminées en un grand cercle, ou (b) lors d'une mise à la terre multipoint à travers les trous de montage du circuit imprimé plaqués sur un boîtier.
2. Les ingénieurs en systèmes d'alimentation utilisent ce terme pour décrire un flux de courant involontaire dans des systèmes mis à la terre/mis à la masse, qui peuvent être séparés par de longues distances (pas sur le même circuit imprimé). Vous verrez souvent ce terme mentionné à propos des poteaux de mise à la terre des services publics qui sont littéralement connectés à la terre. En raison de la résistance non nulle de ces connexions à la terre, il n'est pas surprenant que des décalages de potentiel de terre puissent apparaître entre des équipements connectés à différents points de mise à la terre.

Des boucles de masse telles que décrites au point 2 peuvent se produire dans un circuit imprimé tel que décrit au point 1 (b), lorsque deux connexions entre un réseau de masse donné et le boîtier, ou lorsque les GND de deux couches différentes sont connectées avec des connexions à haute impédance, et qu'il existe un potentiel non nul entre ces éléments.

Sur le circuit imprimé, vous avez une situation analogue, mais à plus petite échelle, qui peut se produire uniquement dans la section numérique (voire exemple ci-dessous), uniquement dans la section analogique, dans les deux sections, ou encore entre les deux sections (lorsque le boîtier est impliqué).

Ce problème dans les équipements séparés est l'une des principales motivations pour utiliser la signalisation différentielle sur de longs câbles plutôt que d'utiliser des groupes de signaux asymétriques dans de longs câbles blindés. Les câbles blindés sont parfaits pour les courts trajets qui ne subissent pas de décalage important par rapport au sol. Cependant, lorsque les blindages sont reliés à la masse aux deux extrémités et qu'il y a un décalage de masse, votre câble blindé transporte un courant dans une boucle de masse ! Il s'agit d'un problème de sécurité car une personne qui saisit le blindage ou la connexion du châssis d'un côté ou de l'autre peut créer un chemin vers la terre et recevoir un choc, le câble peut même brûler.

Sur le circuit imprimé, vous n’avez pratiquement pas ce problème, sauf si vous avez une impédance élevée dans vos connexions de masse qui crée un certain potentiel de décalage de masse dans le plan de ce dernier. Un endroit où cela peut se produire est le boîtier, où vous utilisez la mise à la terre multipoint dans la mauvaise situation (par exemple, en courant continu élevé plutôt qu'en RF). Cela ne devient un problème de sécurité que :

• Lorsque toutes les connexions de terre multipoint dans une région de terre unique ont une impédance élevée à n'importe quel retour de terre dans le système,
• Le système fonctionne à un courant élevé,
• L'utilisateur interagit et peut toucher le conducteur portant la boucle de terre.

Notez que je n'ai même pas évoqué la possibilité de régions différentes de sol : tout se passe dans la même région de sol (plan unique). Le fait est que vous pouvez avoir une mise à la terre en étoile et des boucles de terre, mais si vous avez des boucles de terre qui causent des problèmes d'intégrité du signal, alors il y a probablement un ensemble différent de problèmes qui ne peuvent pas être résolus avec une mise à la terre en étoile. Pour la plupart des circuits imprimés, le principal problème lié aux boucles de terre sera un bruit à large bande susceptible d'interférer avec les signaux analogiques de bas niveau (généralement issus d'un capteur), ce qui entraînera un rapport signal/bruit élevé dans tout signal échantillonné et des données inexactes.

Adopter une approche fondée

Les circuits imprimés bien conçus ont des circuits de masse qui reposent sur une approche précise pour fournir un chemin de retour à faible impédance pour le courant. Pour contrer le bruit, une conception pourrait s'appuyer sur un plan de masse comme chemin de retour du courant. Ne placez aucune coupure entre la région de masse analogique et la région numérique pour obtenir une isolation. La seule exception concerne les fréquences audio, lorsque vous devez séparer l'alimentation CC de tout le reste, et si vous travaillez uniquement en CC partout sur la carte. Mais je suis certain qu'il existe d'autres exceptions de faible fréquence.

Pour la majorité des conceptions comportant une section numérique, vous devez vous concentrer sur la disposition correcte de la carte sur un plan de masse, plutôt que de diviser les régions de masse et de créer une disposition de masse en étoile avec un mauvais routage. Vous pouvez en savoir plus sur les différents cas de mise à la terre et les problèmes de mise à la terre en étoile dans cet article. Comme vous le verrez, le principal cas dans la conception de circuits imprimés où la mise à la terre en étoile est acceptable est complètement trivial. Vous ne gagnez aucun avantage à l’implémenter et vous pourriez aussi bien mettre chaque section de la conception dans sa propre carte. Si vous mettez en place la carte correctement, vous serez en mesure de réduire les EMI rayonnées grâce à un routage approprié.

Sachez que lorsque vous utilisez le meilleur logiciel de conception de circuits imprimés, vous n'avez pas besoin de recourir à des tactiques démodées comme la mise à la terre en étoile. Utilisez l'ensemble complet des fonctions de conception, de mise en page et de création d'empilements d'Altium Designer^® afin de créer et d’acheminer votre mise en page physique. Lorsque vous avez terminé votre conception et que vous souhaitez transmettre les fichiers à votre fabricant, la plateforme Altium 365^™ facilite la collaboration et le partage de vos projets.

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