Fondamentaux de la conception des circuits imprimés – résolution des problèmes

Mark Cundle, Global Head of Technical Marketing, RS Components

 

La conception d'un circuit imprimé implique la sélection d'un schéma et la création d'une topologie pour obtenir un processus de production aussi rentable que possible. Après la prédominance d'outils spécialisés et coûteux, la généralisation de solutions logicielles à haute fonctionnalité comme DesignSpark PCB, incluant des modèles et des exemples de concepts, permet aux concepteurs de créer plus rapidement de nouveaux produits.

Cependant, la connaissance des meilleures pratiques est la meilleure approche pour éviter des problèmes dont la correction pourra générer des coûts supplémentaires et retarder les étapes ultérieures. Par exemple, la découverte d'un problème pendant les tests de compatibilité électromagnétique peut impliquer des corrections coûteuses, ou même des modifications profondes de la topologie, ce qui peut représenter des mois de travail.

 

Challenges

Le placement est le premier problème à résoudre. Il est déterminé dans une certaine mesure par le schéma, puisque certains éléments doivent logiquement rester proches les uns des autres. Mais il est important de vérifier que les éléments thermiquement sensibles, tels que les capteurs, sont suffisamment éloignés des composants émetteurs de chaleur, comme les convertisseurs de puissance. Lorsqu'un circuit intègre plusieurs solutions d'alimentation, des convertisseurs 12V à 5V peuvent être placés en différents endroits, générant de la chaleur et des bruits électriques, affectant d'autres composants, la fiabilité et la performance.

Ces composants influencent aussi la performance électromagnétique, ce qui est important pour la performance, la consommation d'énergie et les homologations. Un équipement commercialisé en Europe doit porter la marque CE, et un des tests pour obtenir cette marque consiste à vérifier que l'équipement n'interfère pas avec d'autres systèmes. Ces interférences proviennent souvent de l'alimentation, mais d'autres composants présents sur la carte émettent du bruit, comme les convertisseurs CC-CA ou même des convertisseurs de données à haut débit. Selon la conception de la carte, des pistes peuvent fonctionner comme de petites antennes et rediffuser du bruit dans des fréquences et des zones imprévues.

Des blindages et des boîtiers métalliques peuvent résoudre des problèmes d'interférences électromagnétiques externes. En outre, il est possible de réduire le coût total d'un système en contrôlant rigoureusement les composants émetteurs d'interférences sur la carte grâce à des boîtiers plus économiques.

Mais les interférences électromagnétiques peuvent jouer un rôle dans la conception du circuit imprimé. Des effets diaphoniques peuvent affecter le rapport signal-bruit de certaines pistes et affaiblir la performance. Dans certains cas, le niveau de bruit peut provoquer la perte des signaux et nécessiter l'ajout de composants coûteux, tels que des amplificateurs. Une attention spécifique à la topologie des pistes de signal peut éviter ce type de problème dès les premières étapes de la conception. Il est donc judicieux de ne pas se limiter aux seuls modèles, puisque chaque projet utilise des composants spécifiques, des placements différents avec des contraintes thermiques et électromagnétiques particulières.

La capacité est un autre facteur à surveiller puisqu'elle peut ralentir les signaux et augmenter la consommation d'énergie. Les pistes peuvent interférer entre elles latéralement et verticalement à travers deux couches, et créer en fait un condensateur. Ceci est relativement facile à éviter. Il suffit de vérifier que les pistes ne sont jamais trop longtemps parallèles, par exemple en ajoutant un coin dans une des pistes. Sans oublier de respecter les règles de fabrication, pour faciliter la fabrication et éviter les émissions de bruit générées par des angles trop aigus. Les pistes ne doivent pas non plus être trop proches les unes des autres, puisque cela peut générer des courts-circuits entre deux pistes, surtout dans les coins où des « moustaches » métalliques peuvent se développer à long terme. Les vérifications des règles de conception détectent normalement ces problèmes lorsque le risque est supérieur à la normale.

Ce problème est plus apparent avec les plans de masse. Une feuille de métal utilisée comme couche peut créer une liaison capacitive avec toutes les pistes inférieures et supérieures. Bien qu'elle protège efficacement les pistes contre le bruit, une telle couche métallique peut aussi créer sa propre capacité parasite, qui réduira le débit de piste et augmentera la consommation d'énergie.

Les trous d'interconnexion entre les couches sont probablement la source des problèmes les plus délicats sur des cartes multi-couches, parce qu'ils peuvent créer des problèmes de fabrication. Tous les vides dans ces trous réduisent la performance des signaux et la fiabilité de la conception. Ils doivent être traités avec rigueur.

 

Solutions

Plusieurs techniques peuvent être utilisées pour résoudre les divers challenges de la conception d'un circuit imprimé. Certaines techniques dépendent de la conception de la carte, par exemple utiliser des lignes différentielles pour réduire le bruit alors que d'autres techniques sont déterminées par la topologie du circuit. Ces éléments conceptuels peuvent être exécutés automatiquement avec les outils topologiques, mais des ajustements manuels des placements et de la topologie permettront d'améliorer la qualité du produit final. Pendant tout ce processus, les vérifications des règles de conception préserveront la conformité aux exigences de fabrication dans le fichier technologique.

La division des plans peut réduire la capacité parasite, mais elle augmente le nombre de couches, ainsi que les coûts, et peut créer d'autres challenges au niveau des trous d'interconnexion. L'utilisation d'une grille orthogonale pour gérer les lignes d'alimentation et de masse apporte les mêmes avantages qu'un plan de masse dans une carte à deux couches. Elle simplifie la fabrication au risque d'augmenter les dimensions physiques.

Des outils comme DesignSpark PCB permettent de résoudre certains de ces problèmes dès les premières étapes, sans pour autant dispenser l'utilisateur d'une connaissance suffisante des exigences de la conception d'un circuit imprimé. Par exemple, l'éditeur de circuit imprimé débute avec plusieurs couches, soit deux couches de signal, un plan de masse et un plan d'alimentation. Le placement automatique des composants est très utile et fait gagner du temps. L'utilisateur peut mieux se concentrer sur le placement des composants dans des zones délicates, tels que des composants d'alimentation à proximité de pistes de signal sensibles ou dans des zones ayant un profil thermique élevé. De même, le routage automatique des pistes de signal évite la majorité des problèmes. Cependant, un minimum d'analyses et d'interventions manuelles dans des zones plus délicates pourront considérablement améliorer la qualité du produit fini, son rendement et réduire les coûts.

Les vérifications des règles de conception jouent aussi un rôle particulièrement utile, pour garantir que les pistes ne sont pas trop proches les unes des autres, pour éviter les risques de court-circuit, tout en préservant les avantages d'une conception économique. L'utilisateur peut aussi examiner et modifier les plans d'alimentation et de masse pour éviter de créer d'importantes zones de capacité parasite.

Ces outils utilisent aussi les fichiers Gerber pour imprimer les pistes et les pads, les fichiers Excellon pour percer les trous et produire le concept final. Ces fichiers doivent être associés aux fichiers technologies du fabricant des cartes.

 

Conclusion

La conception d'un circuit imprimé implique une analyse complète de nombreux challenges. Des outils comme DesignSpark PCB offrent une solution extrêmement efficace pour résoudre la plupart d'entre eux. En appliquant certaines meilleures pratiques, les concepteurs peuvent développer des circuits fiables et rentables, conformes aux spécifications systèmes, tout en évitant des problèmes d'homologation souvent très coûteux.

 

Figure 1 : Utilisation de DesignSpark PCB pour créer la topologie d'un circuit imprimé

 

Figure 2 : La topologie d'un temporisateur 555

 

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