Conception rentable des circuits imprimés

La conception rentable d'un circuit imprimé présente plusieurs challenges fondamentaux. Bien que la création d'un circuit le plus petit possible puisse être l'objectif initial, cette approche n'est pas forcément la meilleure pour produire un système énergétiquement efficace. La réduction de la taille d'un circuit imprimé est toujours possible en choisissant un concept multi-couche plus complexe. Mais cela peut générer des problèmes électromagnétiques susceptibles d'augmenter considérablement les coûts pendant les étapes suivantes de son développement.

Le contrôle des interférences électromagnétiques joue un rôle décisif dans la conception d'un circuit imprimé. La conformité du produit fini avec la réglementation de la compatibilité électromagnétique et les exigences du contrôle des interférences peuvent impliquer des processus particulièrement coûteux si la conception et la fabrication du circuit imprimé ont pris des raccourcis. En outre, certaines approches visant à réduire les coûts peuvent n'avoir qu'une valeur à court terme. Si certains composants créent des effets diaphoniques, des couplages ou des rayonnements, des corrections coûteuses pourront être nécessaires pour passer les tests de conformité.

Même si on considère qu'un circuit imprimé en quatre couches offre un équilibre optimal entre la protection électromagnétique et l'efficacité topologique, il est souvent possible de concevoir une carte à deux couches qui offre la même performance en utilisant des outils en ligne tels que DesignSpark PCB. Cette approche autorise une réduction importante des coûts de production, mais elle exige une attention spécifique pour éliminer les impacts sur les tests finaux du projet.

La topologie des retours de signal constitue la plus importante difficulté de la création d'un circuit imprimé. Il serait difficile de tracer un retour de masse sous chaque piste connectée à une broche de signal du contrôleur, mais c'est pourtant ce que fait un plan de masse dans un circuit à quatre couches. Quel que soit le routage des pistes, il y a toujours un retour de masse dessous.

Dans un circuit à deux couches, la solution la plus proche d'un plan de masse consiste à utiliser une grille de masse pour réduire le rayonnement des pistes de signal. Réduire les boucles en routant les retours de signal sous les pistes de signal est la meilleure solution pour résoudre ce problème. Par conséquent, la création d'une grille de masse est l'étape la plus importante (après le planning) pour créer un circuit imprimé.

 

La grille crée un plan

La grille (ou masse maillée) est la technique la plus importante de la conception d'un circuit imprimé à deux couches. À l'instar d'un réseau de distribution électrique, la grille est un réseau de connexions orthogonales entre les pistes portant une masse. Fonctionnant comme un plan de masse, la grille apporte la même réduction de bruit qu'un plan de masse dans un quatre couches. Elle émule le plan de masse d'un quatre couches en créant un retour de masse sous chaque piste de signal. Elle abaisse l'impédance entre le microcontrôleur et la régulation de la tension.

La grille est obtenue par l'extension des pistes de masse et avec un remplissage de masse approprié pour créer un réseau de connexions à la masse sur l'ensemble du circuit imprimé. Prenons l'exemple d'un circuit imprimé où la plupart des pistes supérieures sont verticales et la plupart des pistes inférieures sont horizontales. Ceci est déjà contraire à l'idée de faire passer les retours directement sous les pistes de signal. Premièrement, chaque piste de masse est étendue pour remplir le plus possible l'espace vide du circuit. Ensuite, toutes les zones libres doivent être remplies par du cuivre.

Sur un circuit à deux couches, l'objectif est de créer une grille aussi solide que possible. De petites modifications de la topologie peuvent autoriser d'autres connexions pour étendre la grille.

 

Zonage du circuit

Le zonage du circuit est une technique qui peut être utilisée pour réduire le bruit et les interférences électromagnétiques. Elle réduit donc la nécessité d'ajouter des couches. Le zonage a le même rôle de base que la planification du circuit, dans le sens où il consiste à définir les emplacements des composants sur une carte vide, avant le traçage des pistes. Mais le zonage consiste aussi à regrouper des fonctions similaires, de manière logique, dans une zone générale. Les composants logiques à haut débit, comme les microcontrôleurs, sont placés à proximité de l'alimentation. Les composants plus lents en sont éloignés et les composants analogiques sont placés encore plus loin.

Par conséquent, la logique haut débit risque moins de perturber les autres pistes de signal. Il est particulièrement important de placer les boucles d'oscillateur loin des circuits analogiques, des signaux à bas débit et des connecteurs. Ce concerne aussi bien le circuit que l'espace dans le coffret contenant le circuit imprimé. Dans le produit fini, aucun câble plié ne doit être présent au-dessus de l'oscillateur ou du microcontrôleur, parce qu'il peut collecter du bruit et le diffuser ailleurs. Ceci contribue aussi à déterminer le placement de la tête du connecteur sur le circuit.

 

Outils

La dernière version de DesignSpark PCB inclut la vérification en ligne des règles de conception pour éliminer les problèmes pendant le processus de conception, ce qui est préférable aux vérifications finales. Cette approche est particulièrement utile pour limiter les coûts puisque tous les conflits ou erreurs peuvent être immédiatement détectés et résolus. Naturellement, les vérifications dépendent totalement de la qualité du fichier de conception. Par conséquent, l'ingénieur concepteur joue un rôle crucial pour identifier les problèmes. Néanmoins, ces vérifications accélèrent le processus et libèrent du temps pour étudier des zones critiques en détail.

Dans la Version 5 de DesignSpark PCB, la vérification en ligne des règles de conception contrôle tous les éléments ajoutés ou déplacés interactivement. Par exemple, ceci inclut toutes les pistes liées à un composant déplacé ou toutes les pistes et les trous ajoutés par le routage manuel.

La Version 5 ajoute une prise en charge du bus permettant de grouper et de router des pistes plus facilement. Au lieu de dessiner toutes les connexions et de les connecter à chaque broche requise, l'ingénieur concepteur peut simplifier et rationaliser le travail avec des bus. Le concepteur peut ajouter des connexions à partir des broches de composants jusqu'au bus portant le signal.

Figure 2 : Ajout d’un bus dans le schéma avec DesignSpark PCB Version 5

Un bus peut être "Ouvert" ou "Fermé". Un bus fermé est une collection de noms de net associés au bus et prédéfinis dans ce bus. Seuls ces nets peuvent être utilisés pour connecter ce bus. Par contre, un bus ouvert peut utiliser n'importe quel net.

Cette technique est parfaitement logique pour les bus de routage, mais elle peut aussi servir à router d'autres groupes de pistes. Elle permet de simplifier le circuit imprimé, en regroupant des pistes bruyantes pour les entourer de pistes de masse, à l'aide de la fonction schéma du bus, et donc de réduire le bruit sur l'ensemble du circuit. Il est conseillé de ne jamais placer de pistes bruyantes sur le bord externe d'une carte, ce qui poser des difficultés sur un deux couches de petites dimensions. Il est également conseillé d'éloigner les pistes non bruyantes des zones émettrices de bruit, telles que connecteurs, circuits d'oscillateurs, relais, pilotes de relais.

 

Conclusion

Concevoir un circuit imprimé avec la simplicité requise pour réduire les coûts est probablement plus difficile sans le luxe d'une conception multi-couche.

Certaines interférences électromagnétiques peuvent être éliminées avec des condensateurs de découplage et des perles de ferrite pour amortir les signaux capables de rayonner. Mais ces solutions augmentent la complexité et le coût de fabrication. Si les interférences électromagnétiques peuvent être minimisées par des techniques de conception judicieuses et une bonne gestion des effets diaphoniques, la technique de la grille appliquée aux pistes de masse et d'alimentation permettra à un circuit à deux couches de bénéficier d'une protection aussi efficace qu'une conception à quatre ou six couches intégrant un plan de masse. Cette approche réduit non seulement les coûts de fabrication, mais elle améliore aussi le rendement et la fiabilité, réduisant encore les coûts pendant la durée de vie des équipements.

1 250 mots source