Comment dessiner un PCB sans comprendre la CEM ?

En plus de la sélection des composants et de la conception du circuit, une bonne conception de carte de circuit imprimé (PCB) est également un facteur très important pour la compatibilité électromagnétique.

La clé de la conception de la compatibilité électromagnétique (CEM) de la carte de circuit imprimé est de minimiser la surface de retour et de laisser le chemin de retour s'écouler dans la direction conçue. Les problèmes de courant de retour les plus courants proviennent des fissures dans le plan de référence, du changement de couche de plan de référence et des signaux qui traversent le connecteur. Les condensateurs de saut ou les condensateurs de découplage peuvent résoudre certains problèmes, mais l'impédance globale des condensateurs, des vias, des pads et des câblages doit être prise en compte.

Cette conférence présentera la technologie de conception de carte de circuit imprimé CEM sous trois aspects : stratégie de empilement de couches, techniques de disposition et règles de câblage.

Stratégie de empilement de couches

Dans la conception de carte de circuit, l'épaisseur, le processus de via et le nombre de couches de carte de circuit ne sont pas la clé pour résoudre le problème. Un bon empilement de couches est la clé pour assurer le contournement et le découplage du bus d'alimentation, minimiser les tensions transitoires sur la couche d'alimentation ou la couche de masse, et protéger le champ électromagnétique du signal et de l'alimentation.

Du point de vue du routage du signal, une bonne stratégie de empilement de couches devrait être de mettre tous les routages de signal dans une ou plusieurs couches, qui sont proches de la couche d'alimentation ou de la couche de masse. Pour l'alimentation, une bonne stratégie de empilement de couches devrait être que la couche d'alimentation est adjacente à la couche de masse, et la distance entre la couche d'alimentation et la couche de masse est aussi petite que possible. C'est ce que nous appelons la stratégie de "empilement de couches". Parlons de la bonne stratégie de empilement de couches de carte de circuit imprimé en détail.

1. Le plan de projection de la couche de câblage doit être à l'intérieur de la zone de sa couche de plan de référence. Si la couche de câblage n'est pas à l'intérieur de la zone de projection de sa couche de plan de référence, il y aura des lignes de signal en dehors de la zone de projection lors du câblage, ce qui entraînera des problèmes de "rayonnement de bord" et augmentera la surface de la boucle de signal, ce qui entraînera une augmentation du rayonnement de mode différentiel.
2. Essayez d'éviter les couches de câblage adjacentes. Parce que les traces de signal parallèles sur des couches de câblage adjacentes entraîneront une interférence entre les signaux, si cela est impossible à éviter, l'espacement entre les deux couches de câblage devrait être augmenté, et l'espacement entre la couche de câblage et sa boucle de signal devrait être réduit.
3. Les plans de couche adjacents devraient éviter les projections superposées. Parce que lorsque les projections se superposent, la capacité de couplage entre les couches entraînera le couplage du bruit entre les couches.

Conception de carte multicouche

Lorsque la fréquence d'horloge dépasse 5 MHz, ou que le temps de montée du signal est inférieur à 5 ns, afin de contrôler bien la surface de la boucle de signal, une conception de carte multicouche est généralement requise. Les principes suivants doivent être notés lors de la conception d'une carte multicouche :

1. La couche de câblage clé (ligne d'horloge, bus, ligne de signal d'interface, ligne RF, ligne de signal de réinitialisation, ligne de signal de sélection de puce et divers signaux de contrôle) devrait être adjacente à la plaque de masse complète, de préférence entre deux plaques de masse, comme le montre la figure ci-dessous. Les lignes de signal clés sont généralement des signaux de rayonnement fort ou des signaux très sensibles. Le routage à proximité de la plaque de masse peut réduire la surface de la boucle de signal, réduire son intensité de rayonnement ou améliorer sa capacité de résistance aux interférences.

2. La plaque d'alimentation devrait être retirée par rapport à sa plaque de masse adjacente (valeur recommandée 5H à 20H). Retirer la plaque d'alimentation par rapport à sa plaque de masse de référence peut effectivement supprimer le problème de "rayonnement de bord", comme le montre la figure ci-dessous.

En outre, la plaque d'alimentation principale de la carte (la plaque d'alimentation la plus largement utilisée) devrait être proche de sa plaque de masse pour réduire efficacement la surface de la boucle de courant d'alimentation, comme le montre la figure ci-dessous.

3. Y a-t-il des lignes de signal ≥ 50 MHz sur les couches SUP et INF d'une carte à couche unique ? Si oui, il est préférable de router les signaux à haute fréquence entre les deux couches de plaque pour supprimer son rayonnement dans l'espace.

Conception de carte à couche unique et à double couche

Pour la conception de cartes à couche unique et à double couche, il faut prêter attention à la conception des lignes de signal clés et des lignes d'alimentation. Il doit y avoir une ligne de masse adjacente et parallèle à la ligne d'alimentation pour réduire la surface de la boucle de courant d'alimentation.

Une "ligne de masse directrice" devrait être posée des deux côtés de la ligne de signal clé de la carte à couche unique. La projection de la ligne de signal clé de la carte à double couche devrait avoir une grande surface de masse, ou la même méthode de traitement que la carte à couche unique devrait être utilisée pour concevoir la "ligne de masse directrice", comme le montre la figure ci-dessous. La "ligne de masse directrice" des deux côtés de la ligne de signal clé peut réduire la surface de la boucle de signal d'une part, et prévenir l'interférence entre la ligne de signal et d'autres lignes de signal d'autre part.

Conseils de disposition de carte de circuit imprimé

Lors de la conception de la disposition de la carte de circuit imprimé, vous devriez vous conformer pleinement au principe de placement du signal en ligne droite et essayer d'éviter les allers et retours, comme le montre la figure ci-dessous. Cela peut éviter le couplage direct des signaux et affecter la qualité du signal. En outre, afin de prévenir l'interférence mutuelle et le couplage entre les circuits et les composants électroniques, le placement des circuits et la disposition des composants doivent se conformer aux principes suivants :

1. Si la "terre propre" est conçue sur la carte unique, les dispositifs de filtration et d'isolation doivent être placés sur la bande d'isolation entre la "terre propre" et la terre de travail. Cela peut prévenir les dispositifs de filtration ou d'isolation de coupler les uns avec les autres à travers la couche de plaque et d'affaiblir l'effet. En outre, aucun autre dispositif ne peut être placé sur la "terre propre" sauf les dispositifs de filtration et de protection.

2. Lorsque plusieurs circuits de module sont placés sur la même carte de circuit imprimé, les circuits numériques et les circuits analogiques, les circuits à haute vitesse et les circuits à basse vitesse devraient être disposés séparément pour éviter l'interférence mutuelle entre les circuits numériques, les circuits analogiques, les circuits à haute vitesse et les circuits à basse vitesse. En outre, lorsque il y a des circuits à haute, moyenne et basse vitesse sur la carte de circuit imprimé en même temps, afin d'éviter le bruit de circuit à haute fréquence de rayonner vers l'extérieur à travers l'interface, les principes de disposition dans la figure ci-dessous devraient être suivis.

3. Le circuit de filtration du port d'entrée d'alimentation de la carte de circuit imprimé devrait être placé près de l'interface pour prévenir la ligne filtrée de coupler à nouveau.

4. Les composants de filtration, de protection et d'isolation du circuit d'interface sont placés près de l'interface, comme le montre la figure ci-dessous, ce qui peut effectivement réaliser les effets de protection, de filtration et d'isolation. Si les circuits de filtration et de protection sont présents à l'interface, le principe de protection d'abord et de filtration ensuite devrait être suivi. Parce que le circuit de protection est utilisé pour supprimer la surtension et le surcourant externes, si le circuit de protection est placé après le circuit de filtration, le circuit de filtration sera endommagé par la surtension et le surcourant. En outre, puisque les lignes d'entrée et de sortie du circuit peuvent affaiblir les effets de filtration, d'isolation ou de protection lorsqu'elles sont couplées les unes avec les autres, il est nécessaire de s'assurer que les lignes d'entrée et de sortie du circuit de filtration (filtre), d'isolation et de protection ne sont pas couplées les unes avec les autres lors de la disposition.

5. Les circuits ou les dispositifs sensibles (tels que les circuits de réinitialisation, etc.) devraient être à au moins 1000 mil des bords de la carte, en particulier les bords du côté de l'interface de la carte.

6. Les condensateurs de stockage d'énergie et les filtres à haute fréquence devraient être placés près des circuits ou des dispositifs avec de grands changements de courant (tels que les terminaux d'entrée et de sortie du module d'alimentation, les ventilateurs et les relais) pour réduire la surface de la boucle de courant important.

7. Les composants de filtration doivent être placés côte à côte pour prévenir le circuit filtré d'être interféré à nouveau.

8. Les dispositifs à rayonnement fort tels que les cristaux, les oscillateurs à cristal, les relais, les alimentations à découpage, etc. devraient être à au moins 1000 mil de la carte d'interface du connecteur. Cela peut rayonner directement l'interférence vers l'extérieur ou coupler le courant sur le câble sortant pour rayonner vers l'extérieur.

Règles de disposition de carte de circuit imprimé

En plus de la sélection des composants et de la conception du circuit, une bonne disposition de carte de circuit imprimé est également un facteur très important pour la compatibilité électromagnétique. Puisque la carte de circuit imprimé est un composant inhérent du système, améliorer la compatibilité électromagnétique dans la disposition de la carte de circuit imprimé n'apportera pas de coûts supplémentaires au produit final. Tout le monde devrait se souvenir qu'une mauvaise disposition de carte de circuit imprimé peut causer plus de problèmes de compatibilité électromagnétique qu'elle ne peut les éliminer. Dans de nombreux cas, même l'ajout de filtres et de composants ne peut pas résoudre ces problèmes. À la fin, toute la carte doit être ré-câblée.

Par conséquent, il est le moyen le plus rentable de développer de bonnes habitudes de disposition de carte de circuit imprimé dès le début. Les règles suivantes présentent des règles générales pour la disposition de carte de circuit imprimé et des stratégies de conception pour les lignes d'alimentation, les lignes de masse et les lignes de signal. Enfin, sur la base de ces règles, des mesures d'amélioration sont proposées pour un circuit de carte de circuit imprimé typique d'un climatiseur.

1. Séparation de câblage

Le rôle de la séparation de câblage est de minimiser l'interférence et le couplage de bruit entre les lignes adjacentes sur la même couche de la carte de circuit imprimé. La spécification 3W indique que tous les signaux (horloge, vidéo, audio, réinitialisation, etc.) doivent être isolés de ligne à ligne et de bord à bord, comme le montre la figure 10. Pour réduire encore le couplage magnétique, placez la terre de référence près des signaux clés pour isoler le bruit de couplage généré par d'autres lignes de signal.

2. Lignes de protection et de dérivation

La mise en place de lignes de dérivation et de protection est un moyen très efficace pour isoler et protéger les signaux critiques, tels que les signaux d'horloge du système dans un environnement bruyant. Dans la figure ci-dessous, les lignes parallèles ou de protection dans la carte de circuit imprimé sont posées le long des lignes de signal critiques. La ligne de protection non seulement isole le flux de couplage généré par d'autres lignes de signal, mais isole également le signal critique du couplage avec d'autres lignes de signal. La différence entre la ligne de dérivation et la ligne de protection est que la ligne de dérivation n'a pas besoin d'être terminée (connectée à la terre), mais les deux extrémités de la ligne de protection doivent être connectées à la terre. Pour réduire encore le couplage, la ligne de protection dans la carte de circuit imprimé multicouche peut être ajoutée avec un chemin vers la terre à chaque section.

3. Conception de ligne d'alimentation

Selon le courant de la carte de circuit imprimé, la largeur de la ligne d'alimentation devrait être augmentée autant que possible pour réduire la résistance de la boucle. En même temps, la direction de la ligne d'alimentation et de la ligne de masse devrait être cohérente avec la direction de transmission des données, ce qui aidera à améliorer la capacité de résistance aux interférences. Dans une carte à couche unique ou à double couche, si la ligne d'alimentation est très longue, un condensateur de découplage doit être ajouté à la terre tous les 3000 mil, et la valeur de capacité devrait être de 10 uF + 1000 pF.

4. Conception de ligne de masse

Les principes de conception de ligne de masse sont :

(1) La terre numérique et la terre analogique sont séparées. Si les deux circuits logiques et linéaires sont présents sur la carte de circuit imprimé, ils devraient être séparés autant que possible. La terre du circuit à basse fréquence devrait être connectée à la terre en un seul point autant que possible. Si le câblage réel est difficile, il peut être connecté en série puis en parallèle. Les circuits à haute fréquence devraient adopter un terrain de série multi-point. La ligne de terre devrait être courte et lâche, et une grande surface de feuille de terre en forme de grille devrait être utilisée autour des composants à haute fréquence autant que possible.

(2) La ligne de terre devrait être aussi épaisse que possible. Si la ligne de terre est une ligne très fine, le potentiel de terre change avec le changement de courant, ce qui réduit la performance de résistance aux interférences. Par conséquent, la ligne de terre devrait être épaissie pour qu'elle puisse passer trois fois le courant autorisé sur la carte de

(3) El cable de tierra forma un bucle cerrado. En el caso de placas de circuitos impresos compuestas únicamente por circuitos digitales, el circuito de tierra suele estar dispuesto en un bucle de grupo para mejorar la resistencia al ruido.

5. Diseño de línea de señal

Para las líneas de señal clave, si la placa única tiene una capa de enrutamiento de señal interna, las líneas de señal clave, como el reloj, se organizan en la capa interna y se le da prioridad a la capa de enrutamiento preferida. Además, las líneas de señal clave no se deben enrutar a través del área de partición, incluido el espacio del plano de referencia causado por las vías y los pads, de lo contrario conducirá a un aumento en el área del bucle de señal. Además, la línea de señal clave debe estar a ≥3H del borde del plano de referencia (H es la altura de la línea desde el plano de referencia) para suprimir el efecto de radiación del borde.

Para líneas de señales de radiación fuerte, como líneas de reloj, buses y líneas de RF, y líneas de señales sensibles, como líneas de señales de reinicio, líneas de señales de selección de chip y señales de control del sistema, se deben mantener alejadas de las líneas de señales de salida de la interfaz. Esto evita que las interferencias en las líneas de señales de radiación fuerte se acoplen a las líneas de señales salientes y se irradien hacia el exterior; También evita que las interferencias externas introducidas por las líneas de señal salientes de la interfaz se acoplen a las líneas de señal sensibles, lo que provoca un mal funcionamiento del sistema.

Las líneas de señal diferencial deben enrutarse en la misma capa, con la misma longitud y en paralelo, con una impedancia constante y sin ningún otro enrutamiento entre líneas diferenciales. Porque garantizar que la impedancia de modo común del par de líneas diferenciales sea igual puede mejorar su capacidad antiinterferente.

De acuerdo con las reglas de cableado anteriores, el circuito impreso típico del aire acondicionado se mejora y optimiza, como se muestra en la siguiente figura.

En general, la mejora de EMC mediante el diseño de PCB es: antes del cableado, primero se estudia el diseño de la ruta de retorno, lo que le brindará la mejor posibilidad de éxito y lograr el objetivo de reducir la radiación EMI. Además, antes de realizar el cableado real, cambiar la capa de cableado no cuesta dinero, lo cual es la forma más económica de mejorar la compatibilidad electromagnética.