Comment gérer la compatibilité électromagnétique et les interférences dans la conception de circuits imprimés

Technique 1: Mise à la terre des circuits imprimés
L'un des moyens les plus efficaces de réduire les interférences électromagnétiques consiste à mettre à la terre les PCB.. Commencez par maximiser la surface au sol à travers le PCB, ce qui aide à minimiser les émissions, diaphonie, et le bruit. Des précautions supplémentaires doivent être prises pour connecter chaque composant au point de terre ou au plan., car ne pas le faire annule les avantages neutralisants d’un plan de sol fiable.

Les conceptions de circuits imprimés complexes comportent souvent plusieurs niveaux de tension stables. Idéalement, chaque tension de référence doit avoir un plan de masse dédié. Cependant, avoir trop de plans de masse peut augmenter les coûts de fabrication. Une approche équilibrée consiste à utiliser trois à cinq plans de sol à des endroits stratégiques, avec chaque avion couvrant plusieurs sections au sol. Cette méthode permet de contrôler les coûts de fabrication tout en réduisant les EMI et l'EMC.

Pour minimiser la CEM, un système de mise à la terre à faible impédance est essentiel. Dans les PCB multicouches, un plan de masse robuste est préférable à un bloc d'équilibrage en cuivre ou à des zones de masse dispersées, car il offre une faible impédance, un chemin de courant clair, et une source de signal de retour optimale.

Le temps de retour du signal est un autre facteur critique. Les signaux doivent voyager vers et depuis leur source dans des délais équivalents. Sinon, ils agissent comme des antennes, transformer l'énergie rayonnée en EMI. De la même manière, les traces transmettant le courant vers et depuis la source de signal doivent être aussi courtes que possible. Des longueurs inégales des chemins de source et de retour peuvent entraîner un rebond au sol, contribuer davantage à EMI.

Technique 2: Distinguer les sources EMI
Étant donné que les caractéristiques des différentes sources EMI varient, un principe de conception CEM solide consiste à séparer les circuits analogiques des circuits numériques. Circuits analogiques, qui impliquent souvent des courants plus élevés, doit être tenu à l'écart des traces à grande vitesse ou des signaux de commutation. Lorsque cela est possible, des signaux de terre doivent être utilisés pour les protéger. Sur les PCB multicouches, les traces analogiques doivent être acheminées sur un seul plan de masse, pendant la commutation ou les traces à grande vitesse doivent être sur un autre, garantir que les signaux ayant des caractéristiques différentes restent isolés.

Un filtre passe-bas peut parfois être utilisé pour éliminer le bruit haute fréquence couplé aux traces proches.. De tels filtres aident à supprimer le bruit et à stabiliser le flux de courant. La séparation des plans de masse pour les signaux analogiques et numériques est tout aussi essentielle. Les circuits analogiques et les circuits numériques présentent des caractéristiques uniques, nécessitant une mise à la terre indépendante. Les signaux numériques doivent se terminer par une masse numérique, tandis que les signaux analogiques doivent se terminer par une masse analogique.

Les ingénieurs expérimentés en conception de circuits imprimés accordent une attention particulière aux signaux et horloges à grande vitesse dans la conception de circuits numériques. Pour les signaux à grande vitesse, les traces et les horloges doivent être aussi courtes que possible et situées à proximité des plans de masse. Cela minimise la diaphonie, bruit, et rayonnement, les garder sous contrôle.

Les signaux numériques doivent également être tenus à l'écart des avions électriques.. La proximité entre ces plans peut induire du bruit ou une diaphonie, affaiblir l'intégrité du signal.

Conception de PCB

Technique 3: Donner la priorité à la réduction de la diaphonie dans la conception des traces
Une bonne conception des traces est cruciale pour garantir un flux de courant fluide. Pour les courants provenant d'oscillateurs ou d'appareils similaires, il est essentiel de les séparer des plans de masse ou d'éviter un routage parallèle avec d'autres traces, traces particulièrement rapides. Les signaux parallèles à grande vitesse sont sujets aux problèmes CEM et EMI, surtout la diaphonie. Les chemins de résistance des traces doivent être aussi courts que possible, avec des chemins de courant de retour également minimisés. Les longueurs de trace du chemin de retour doivent correspondre aux longueurs de trace de transmission.

Dans les contextes EMI, une trace est souvent étiquetée comme étant “agresseur” tandis que l'autre est le “victime.” Les couplages inductifs et capacitifs dus aux champs électromagnétiques peuvent affecter la trace de la victime, induisant des courants aller et retour qui conduisent à des ondulations dans les signaux.

Dans un environnement idéal et équilibré, les courants induits s'annuleraient, éliminer la diaphonie. Cependant, les conditions réelles permettent rarement la perfection, il est donc essentiel de minimiser la diaphonie. Le maintien d'un espacement entre les traces parallèles qui est au moins deux fois supérieur à la largeur des traces peut réduire considérablement la diaphonie. Par exemple, si une largeur de trace est 5 mils, l'espacement entre les traces parallèles doit être 10 milles ou plus.

Technique 4: Condensateurs de découplage
Les condensateurs de découplage aident à atténuer les effets néfastes de la diaphonie. Ceux-ci doivent être placés entre les broches d'alimentation et de terre d'un appareil pour garantir une faible impédance CA., réduire le bruit et la diaphonie. L'utilisation de plusieurs condensateurs de découplage sur une large plage de fréquences garantit des performances optimales.

Le condensateur de plus petite valeur doit être placé aussi près que possible de l'appareil pour minimiser les effets inductifs sur la trace.. Ce condensateur doit être connecté directement à la broche d'alimentation ou à la trace d'alimentation de l'appareil., avec ses plots liés aux vias ou au plan de masse. Pour des traces plus longues, plusieurs vias peuvent minimiser l'impédance de mise à la terre.

Technique 5: Éviter les angles de 90°
Pour réduire les EMI, éviter de créer des angles de 90° dans les traces, vias, ou d'autres composants, car des angles vifs peuvent entraîner une augmentation du rayonnement. À ces points, la capacité augmente et l'impédance caractéristique change, provoquant des réflexions et des EMI. Utilisez plutôt deux angles de 45° pour acheminer les traces autour des coins.

Technique 6: Utilisation prudente des vias
Les vias sont souvent indispensables dans les configurations PCB, fournir des connexions conductrices entre les couches. Cependant, ils introduisent l'inductance et la capacité, et dans certains cas, réflexions dues aux changements d'impédance dans les traces.

Les vias étendent également la longueur des traces, nécessitant une correspondance de longueur appropriée. Pour paires différentielles, éviter les vias si possible. Si inévitable, assurez-vous que les deux traces de la paire utilisent des vias pour compenser le retard dans les chemins de signal et de retour.

Technique 7: Câble et blindage physique
Les câbles transportant des courants numériques et analogiques génèrent souvent une capacité et une inductance parasites, conduisant à des problèmes de CEM. Les câbles à paires torsadées maintiennent de faibles niveaux de couplage, éliminer les champs magnétiques. Les signaux haute fréquence nécessitent des câbles blindés mis à la terre aux deux extrémités pour éviter les interférences EMI.

Le blindage physique consiste à enfermer tout ou partie du système dans du métal pour empêcher les interférences électromagnétiques de pénétrer dans le circuit PCB.. Un tel blindage agit comme un conteneur conducteur mis à la terre, réduisant la taille de la boucle d'antenne et absorbant les EMI.

Technique 8: Blindage et filtrage

1. Ajout d'un blindage: Utilisez des boucliers métalliques ou des couches de blindage pour réduire les interférences électromagnétiques si nécessaire. Les composants haute fréquence doivent être isolés à l'aide de boîtiers de blindage pour éviter les interférences avec d'autres composants..
2. Filtres et suppresseurs: Ajoutez des filtres passe-bas pour supprimer le bruit haute fréquence et des suppresseurs pour contrôler les interférences électromagnétiques. Ces mesures aident à maintenir la diaphonie, bruit, et niveaux de rayonnement dans des limites acceptables.

Technique 9: Simulation et Validation

1. Effectuez des analyses de champ électromagnétique et de rayonnement à l'aide d'un logiciel de simulation après avoir terminé la conception du PCB pour identifier les problèmes potentiels d'interférences électromagnétiques..
2. Optimiser la conception du PCB en fonction des résultats de simulation pour garantir la conformité aux exigences CEM.

En appliquant ces techniques, les ingénieurs peuvent concevoir des circuits imprimés plus efficaces et plus stables, réduire les interférences électromagnétiques et améliorer les performances globales du système. Suivez LSTPCB pour plus d'informations sur les PCB, PCBA, et conseils de conception de composants, et profitez de services de prototypage gratuits!