Recommandations concernant les interférences électromagnétiques

Mark Cundle, Global Head of Technical Marketing, RS Components

 

Rares sont les circuits imprimés où les problèmes électromagnétiques et le bruit ne figurent pas parmi les contraintes principales de leur conception. Cependant, leur intégration dans la topologie permet d'en éliminer une bonne partie. Les unités d'alimentation génèrent du bruit qui peut nuire à la performance et perturber d'autres dispositifs. Les signaux peuvent interférer entre eux et réduire la performance du système.

Pour optimiser l'agencement des circuits et éviter d'autres problèmes pendant le reste du processus de conception, il est préférable de s'appuyer sur une vision complète du fonctionnement du système, en tenant compte de la position relative des pistes bruyantes et des pistes sensibles, ayant un rapport signal-bruit faible. Les interférences électromagnétiques peuvent être résolues plus tard avec des filtres aux points appropriés, ou avec des boîtiers métalliques qui bloquent les rayonnements. Ces options peuvent être coûteuses et elles augmentent les coûts et la durée du processus de développement, imposant des tests supplémentaires et des modifications importantes. Les effets d'arêtes et les connecteurs jouant un rôle essentiel dans les questions électromagnétiques, de telles modifications peuvent même exiger des déplacements de lignes E/S essentielles. Par conséquent, intégrer les enjeux électromagnétiques dès la première étape de la conception des circuits imprimés peut considérablement améliorer la qualité du produit final et éviter de mauvaises surprises.

 

Alimentation

La topologie d'un circuit imprimé conditionne la réussite ou l'échec de chaque projet d'alimentation électrique, depuis son rôle jusqu'au comportement thermique en passant par les interférences électromagnétiques. La conception de la topologie d'une alimentation de commutation n'est pas en soi difficile, mais elle est souvent positionnée trop tard dans le processus de conception global du produit.

Une topologie de bonne qualité intégrée dès le premier prototype n'augmente pas les coûts. Elle permet de réduire l'utilisation de ressources importantes, incluant filtres électromagnétiques, blindages mécaniques, cycles de tests électromagnétiques et tests de fonctionnement. Une alimentation de commutation peut rayonner à des fréquences évidentes, capables de perturber des postes de radio voisins. Cependant, une topologie bien pensée peut éviter le recours à des blindages et autres protections.

 

 

 

 

 

 

Les problèmes d'interférences électromagnétiques proviennent de la rapidité des changements de boucles de courant. Par conséquent, éviter ce type de boucle et leurs changements rapides est une première étape qui peut apporter des améliorations considérables. Différentes topologies d'alimentation, telles que les convertisseurs flyback (ou Buck) créent des boucles CA différentes. Leur positionnement bien étudié, parfois dans les couches du circuit imprimé, peut apporter des améliorations très appréciables. Cette approche permet de contenir les effets rayonnants et minimise le recours aux filtres ou à des boîtiers métalliques coûteux. Ces boucles doivent être éloignées des trous d'interconnexion entre les couches, et des pistes sensibles ayant un rapport signal-bruit sensible. Cela permet de réduire l'impact des lignes d'alimentation sur les autres éléments du système.

 

Pistes de signal

 La plus grande difficulté des pistes de signal vient du bruit des broches E/S, qui forment souvent une antenne. Dans une configuration synchrone, toute la commutation des signaux intervient sur le même côté, ce qui peut créer une puissante crête d'interférences à intervalles réguliers. Avec l'augmentation des vitesses d'horloge, la conception du circuit imprimé doit accorder une importante particulière à ces signaux.

La diaphonie capacitive et inductive intervient lorsque des pistes restent parallèles même sur de courtes distances. Le niveau de bruit est proportionnel à la distance parallèle, à la fréquence, à l'amplitude de la variation de tension source, l'impédance de la victime, et il est inversement proportionnel à la distance de séparation.

Les effets peuvent être minimisés en éloignant les pistes bruyantes des lignes les plus sensibles et en évitant de placer des pistes bruyantes sur le bord extérieur du circuit. Réunir les pistes bruyantes en les entourant de lignes de masse aide aussi à réduire les interférences, puisque le couplage se fait plus à la masse que sur des pistes de signal. Cette solution est particulièrement importante pour les lignes E/S où la commutation génère des interférences qui peuvent rayonner hors du système.

Les retours des signaux pouvant être affectés par le bruit doivent passer sous leurs pistes. Ceci réduit l'impédance, la tension parasite et les zones de rayonnement.

 

Arbre d'horloge

Le circuit de l'oscillateur est la troisième source d'interférences, lorsque l'oscillateur oscille rail à rail. Outre la fréquence fondamentale, des harmoniques apparaissent sur les sorties. Séparer le quartz et ses circuits oscillants finaux des autres composants et des pistes sur le circuit imprimé, préférer des zones de boucles les plus petites possibles, sont deux options qui permettent d'éviter ce type de problème et ainsi que le couplage des signaux avec d'autres composants, tels que les grandes bobines d'induction.

De nombreux problèmes de diaphonie liés aux interférences électromagnétiques ont lieu à proximité du quartz. Par conséquent, une séparation minimale de 2 cm entre l'oscillateur et les autres composants est une précaution payante. Ce type de problème est habituellement associé à une zone (voir ci-dessous).

 

Antennes rayonnantes

Toute piste sans terminaison, longue de 8 cm environ ou plus, forme une antenne rayonnante dans la gamme FM. Ce problème est aisément résolu en évitant les pistes de signal longues et en les terminant avec une résistance série pour amortir sans ralentir la transmission des données. La topologie du circuit imprimé rejoint la liste des interconnexions dans un processus itératif.

Les coins de piste trop aigus peuvent induire des rayonnements. Par conséquent, les vérifications des règles de conception doivent signaler les angles inacceptables. Ces coins sont également des facteurs de risque pour les processus de fabrication. Les éviter présente donc plusieurs avantages.

 

Zones

La création de zones ayant des fonctions similaires supporte une meilleure gestion des exigences pendant la conception d'un circuit imprimé. Organiser tous les éléments analogiques dans une zone, protégés par un plan de masse divisé ou par des lignes de masse configurées pour éliminer l'impact des circuits numériques ou d'alimentation, permet de réduire la sensibilité du circuit aux interférences. Plus de temps peut être ainsi consacré à la conception de la zone analogique, puisque les éléments numériques sont moins sensibles aux interférences. Une bonne option consiste à placer tous les composants d'alimentation dans une zone, le plus loin possible des composants sensibles.

 

Routage automatique

Même si un outil de routage automatique peut être utile, ces facteurs doivent pris en compte pour définir le travail de l'outil. Le routage automatique à l'intérieur des zones du circuit imprimé peut contribuer à accélérer le processus topologique, et minimiser l'impact des interférences électromagnétiques. Il est possible que le routage automatique autorise des pistes de signal trop longues ou des pistes bruyantes trop proches de zones sensibles, telles que les E/S en particulier. Il ne faut donc pas perdre de vue l'impact des interférences électromagnétiques sur ces lignes pour améliorer la conception automatisée.

Des outils comme DesignSpark PCB intègrent des vérifications des règles de conception, pour garantir que les pistes sont à la bonne distance et que leurs angles ne sont pas excessivement aigus. Mais ces outils n'aideront pas forcément à résoudre les problèmes d'interférences électromagnétiques rencontrés. Pour améliorer la qualité et la performance d'un circuit imprimé, il est nécessaire de traiter plus particulièrement les pistes sensibles, les pistes de signal parallèles, les pistes longues et de trouver des solutions manuelles pour les optimiser.

 

Conclusion

Les interférences électromagnétiques font partie des critères fondamentaux de la conception d'un circuit imprimé. L'utilisation exclusive d'outils de routage automatique et des vérifications des règles de conception pour créer un circuit imprimé ouvre la porte à de mauvaises surprises pendant les étapes ultérieures du processus. La combinaison d'une résolution préventive des problèmes électromagnétiques potentiels avec la création de zones configurables par routage automatique permet de marier les avantages d'un développement automatique avec la valeur ajoutée d'un savoir-faire avancé. Ces efforts combinés peuvent optimiser la conception et éviter des frais supplémentaires tels que refrabrications de circuits, ajout de filtres supplémentaires ou de boîtiers coûteux. L'intégration de la résolution des problèmes électromagnétiques dès le début de la conception des circuits imprimés permet de réduire les coûts, d'accélérer les cycles de conception en produisant le meilleur résultat possible.

 

Figure 1 : Boucle active d'un convertisseur d'alimentation – Linear Technology

Figure 2 : La même boucle active dans la topologie du circuit.

 

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