Comprendre la relation entre l’agencement et le circuit imprimé en un seul article

En raison de leurs caractéristiques de commutation, les alimentations à découpage sont susceptibles de générer d'importantes interférences électromagnétiques. En tant qu'ingénieur électricien, ingénieur en compatibilité électromagnétique ou ingénieur en conception de circuits imprimés, vous devez comprendre les causes et les solutions des problèmes de compatibilité électromagnétique. En particulier, les ingénieurs en conception doivent savoir comment éviter l'expansion des zones sales. Cet article présente principalement les points clés de la conception de circuits imprimés de puissance.

29 relations fondamentales entre la conception et le circuit imprimé

1. Quelques principes fondamentaux : tout fil possède une impédance ; le courant choisit toujours automatiquement le chemin de plus faible impédance ; l'intensité du rayonnement est liée au courant, à la fréquence et à la surface de la boucle ; les interférences de mode commun sont liées à la capacité mutuelle des signaux dv/dt importants à la terre ; les principes de réduction des interférences électromagnétiques et d'amélioration des capacités anti-interférences sont similaires.

2. La conception doit être partitionnée en blocs d'alimentation, analogiques, numériques haut débit et autres blocs fonctionnels.

3. Essayez de réduire la surface des grandes boucles di/dt, la longueur des lignes de signaux dv/dt (ou leur surface ; la largeur ne doit pas être trop importante, car l'augmentation de la surface de routage augmente la capacité distribuée). En règle générale, la largeur de routage doit être aussi grande que possible, mais la partie excédentaire doit être supprimée. Essayez de réduire directement la surface environnante implicite afin de réduire le rayonnement.

4. La diaphonie inductive est principalement causée par les grandes boucles di/dt (antennes cadres). L'intensité de l'induction est proportionnelle à l'inductance mutuelle. Il est donc essentiel de réduire l'inductance mutuelle avec ces signaux (la principale solution consiste à réduire la surface de la boucle et à augmenter la distance). La diaphonie capacitive est principalement générée par les grands signaux dv/dt. L'intensité de l'induction est proportionnelle à la capacité mutuelle. Il est donc essentiel de réduire la capacité mutuelle avec ces signaux (la principale solution consiste à réduire la surface de couplage effective et à augmenter la distance, la capacité mutuelle diminuant plus rapidement avec la distance).

5. Essayez d'utiliser le principe d'annulation de boucle pour le routage et réduisez davantage la surface de la grande boucle DI/Dt, comme illustré dans la figure ci-dessous (similaire au câble à paire torsadée utilisant le principe d'annulation de boucle pour améliorer la capacité anti-interférence et augmenter la distance de transmission) :

6. La réduction de la surface de la boucle permet non seulement de réduire le rayonnement, mais aussi l'inductance de la boucle, améliorant ainsi les performances du circuit.

7. La réduction de la surface de la boucle nécessite une conception précise du chemin de retour de chaque ligne.

8. Lorsque plusieurs circuits imprimés sont connectés via des connecteurs, il est également nécessaire de minimiser la surface de la boucle, en particulier pour les signaux DI/Dt importants, les signaux haute fréquence ou les signaux sensibles. Il est préférable d'avoir une ligne de signal correspondant à une ligne de masse, et de les rapprocher le plus possible. Si nécessaire, elles peuvent être connectées par des câbles à paires torsadées (la longueur de chaque tour de câble à paires torsadées correspond à un multiple entier de la demi-longueur d'onde du bruit). En ouvrant le boîtier de l'ordinateur, vous constaterez que la carte mère et l'interface USB du panneau avant sont connectées par un câble à paires torsadées, ce qui illustre l'importance de cette connexion pour la protection contre les interférences et la réduction des radiations.

9. Pour le câblage des données, privilégiez les fils de masse et répartissez-les uniformément afin de réduire efficacement la zone de boucle.

10. Bien que certaines lignes de connexion inter-cartes soient des signaux basse fréquence, ces signaux basse fréquence contiennent beaucoup de bruit haute fréquence (par conduction et rayonnement). Une mauvaise gestion peut également favoriser la diffusion de ces bruits.

11. Lors du câblage, pensez d'abord aux routages à courant élevé et aux routages sujets aux radiations.

12. Les alimentations à découpage comportent généralement quatre boucles de courant : entrée, sortie, commutation et roue libre (comme illustré à la figure 2). Les boucles de courant d'entrée et de sortie sont presque en courant continu et ne génèrent quasiment aucune interférence électromagnétique, mais elles sont facilement perturbées. Les boucles de courant de commutation et de roue libre présentent un rapport di/dt élevé, ce qui nécessite une attention particulière.

13. Le circuit de commande de grille des tubes MOS (IGBT) présente généralement également un rapport di/dt élevé.

14. Ne placez pas de petites boucles de signal, telles que des circuits de commande et analogiques, à l'intérieur de boucles de courant élevé, haute fréquence et haute tension afin d'éviter les interférences.

15. Réduisez la surface et la longueur de la boucle de signal sensible aux interférences afin de réduire les interférences.

16. Éloignez les lignes de signaux de faible puissance des lignes de signaux dv/dt de forte puissance (comme le pôle C ou D du tube de commutation, le circuit d'amortissement et le réseau de serrage) afin de réduire le couplage. Vous pouvez installer une masse (ou une alimentation, en tout cas, c'est une constante p).Signal potentiel) au milieu pour réduire davantage le couplage. La masse et le plan de masse doivent être en bon contact. Les lignes de signaux faibles doivent également être éloignées autant que possible des lignes de signaux di/dt importants afin d'éviter la diaphonie inductive. Il est préférable de ne pas faire passer de lignes de signaux faibles sous des signaux dv/dt importants. Si l'arrière de la ligne de signaux faibles peut être relié à la masse (même masse), cela peut également réduire le signal de bruit qui lui est couplé.

17. Une meilleure approche consiste à disposer la masse autour et à l'arrière de ces pistes de signaux dv/dt et di/dt importants (y compris les pôles C/D du dispositif de commutation et le dissipateur thermique du tube de commutation), à connecter les couches supérieure et inférieure de la masse par des vias, et à relier cette masse au point de masse commun (généralement le pôle E/S du tube de commutation ou la résistance d'échantillonnage) par une piste à faible impédance. Cela permet de réduire les interférences électromagnétiques rayonnées. Il est à noter que la masse des signaux faibles ne doit pas être connectée à cette masse blindée, sous peine d'introduire des interférences plus importantes. Les traces dv/dt importantes couplent généralement les interférences au dissipateur thermique et à la terre environnante par le biais de la capacité mutuelle. Il est préférable de connecter le dissipateur thermique du tube de commutation à la terre blindée. L'utilisation de dispositifs de commutation montés en surface réduira également la capacité mutuelle, réduisant ainsi le couplage.

18. Il est préférable de ne pas utiliser de vias pour les traces sujettes aux interférences, car ils interféreront avec toutes les couches traversées par les vias.

19. Le blindage peut réduire les interférences électromagnétiques rayonnées, mais en raison de la capacité accrue à la terre, les interférences électromagnétiques conduites (mode commun ou mode différentiel non intrinsèque) augmentent. Cependant, tant que la couche de blindage est correctement mise à la terre, elles n'augmenteront pas beaucoup. Cela peut être pris en compte lors de la conception.

20. Pour éviter les interférences d'impédance commune, utilisez une mise à la terre en un seul point et alimentez l'alimentation à partir d'un seul point.

21. Les alimentations à découpage comportent généralement trois types de terre : la terre haute intensité de l'alimentation d'entrée, la terre haute intensité de l'alimentation de sortie et la terre de commande des petits signaux. La méthode de connexion à la terre est illustrée dans le schéma suivant :

22. Lors de la mise à la terre, il est important de déterminer la nature de la terre avant de procéder à la connexion. La masse d'échantillonnage et d'amplification d'erreur doit généralement être connectée au pôle négatif du condensateur de sortie, le signal d'échantillonnage doit généralement être prélevé sur le pôle positif du condensateur de sortie, et la masse de commande du petit signal et la masse d'excitation doivent généralement être connectées au pôle E/S du tube de commutation ou à la résistance d'échantillonnage afin d'éviter les interférences d'impédance commune. En règle générale, la masse de commande et la masse d'excitation du circuit intégré ne sont pas séparées. L'impédance du conducteur entre la résistance d'échantillonnage et la masse doit être aussi faible que possible afin de minimiser les interférences d'impédance commune et d'améliorer la précision de l'échantillonnage du courant.

23. Il est préférable que le réseau d'échantillonnage de la tension de sortie soit proche de l'amplificateur d'erreur plutôt qu'en sortie. En effet, les signaux à faible impédance sont moins sensibles aux interférences que les signaux à haute impédance. Les paires de traces d'échantillonnage doivent être aussi proches que possible afin de réduire le bruit capté.

24. Il est à noter que les inductances, en particulier les inductances de stockage d'énergie et les inductances de filtrage, doivent être éloignées les unes des autres et perpendiculaires afin de réduire l'inductance mutuelle.

25. Il est à noter que lorsque des condensateurs haute fréquence et basse fréquence sont utilisés en parallèle, les condensateurs haute fréquence doivent être proches de l'utilisateur.

26. Les interférences basse fréquence sont généralement de mode différentiel (inférieures à 1 M), tandis que les interférences haute fréquence sont généralement de mode commun, généralement par couplage de rayonnement.

27. Si le signal haute fréquence est couplé au câble d'entrée, il est facile de former des interférences électromagnétiques (EMI). Un anneau magnétique peut être placé près de l'alimentation du câble d'entrée. Une réduction des interférences électromagnétiques indique la présence de ce problème. La solution à ce problème consiste à réduire le couplage ou les interférences électromagnétiques (EMI) du circuit. Si le bruit haute fréquence n'est pas filtré et est transmis au conducteur d'entrée, des interférences électromagnétiques (EMI) (mode différentiel) se forment également. Dans ce cas, l'anneau magnétique ne peut résoudre le problème. Deux inductances haute fréquence (symétriques) sont connectées en série à proximité de l'alimentation du conducteur d'entrée. Une réduction des EMI indique l'existence du problème. La solution consiste à améliorer le filtrage ou à utiliser des tampons, des limiteurs de tension ou d'autres moyens pour réduire la génération de bruit haute fréquence. 28. Mesure du courant de mode différentiel et de mode commun :

29. Le filtre EMI doit être placé au plus près de la ligne d'entrée, et cette dernière doit être aussi courte que possible afin de minimiser le couplage entre les étages avant et arrière du filtre EMI. Il est préférable Pour blinder la ligne entrante avec la masse du châssis (méthode décrite ci-dessus), il est conseillé de traiter le filtre EMI de sortie de la même manière. Veillez à maintenir la distance entre la ligne entrante et la ligne de signal à haute tension/tension différentielle (DV/DT) aussi grande que possible et tenez-en compte lors de la configuration.