La conception de circuits imprimés complexes (PCB) nécessite une planification minutieuse de la mise à la terre et de la mise en plan du plan d'alimentation pour assurer l'intégrité du signal, minimiser les interférences électromagnétiques (IM) et fournir des performances fiables. Dans les circuits numériques à haute vitesse, à signal mixte et RF, la qualité du plan d'échouement affecte directement les marges sonores et la stabilité de la tension.

Principes fondamentaux de la mise à la terre dans la conception des PCB

Pourquoi la terre est importante

Chaque signal d'un PCB nécessite un chemin de retour à sa source. L'impédance de ce chemin de retour détermine la quantité de bruit de tension qui apparaît entre différentes références au sol. Un plan de sol à faible impédance réduit la surface de boucle pour les courants de retour, réduisant les émissions apparentes et la susceptibilité aux interférences externes. Dans les conceptions à haute fréquence (au-dessus de 100 MHz), l'induction d'un plan de sol devient critique; même de petites discontinuités peuvent causer une dégradation importante du signal.

Base à un seul point

Cette technique est courante dans les circuits analogiques à basse fréquence et les circuits à signaux mixtes où l'isolement sonore est primordial. En forçant tous les courants de retour à converger à un point, les courants circulants (boucles au sol) sont éliminés. Cependant, l'échouement à un point peut devenir peu pratique à des fréquences élevées parce que l'induction des traces de connexion crée des baisses de tension indésirables. Il est préférable d'appliquer les fréquences de signal en dessous de 1 MHz ou lorsque le circuit contient des sections numériques sensibles analogiques et bruyantes. Dans ces cas, les bases analogiques et numériques sont séparées jusqu'à ce qu'elles se rencontrent au point unique, souvent près de l'alimentation.

Mise à la terre multipoints

Pour les conceptions numériques à haute fréquence, la mise à la terre multipoints est privilégiée. Ici, chaque circuit est relié au plan de terre à plusieurs points, créant ainsi un réseau de terre à faible impédance. Cela réduit l'inductance au sol et fournit un court chemin de retour pour chaque signal. La mise à la terre multipoints est obtenue par l'utilisation d'un plan de terre solide (ou de plusieurs plans de terre dans une accumulation multicouche) et par la connexion directe de tous les éléments des broches au sol via le biais.

Mise à la terre hybride

De nombreux modèles complexes nécessitent une combinaison de mise à la terre simple et multipoints. Par exemple, une carte à signaux mixtes peut utiliser des plans au sol analogiques et numériques distincts qui sont reliés à un seul point près de l'ADC/DAC, alors que chaque plan lui-même est un terrain multipoints solide pour son domaine respectif. Cette approche hybride permet d'isoler les basses fréquences (où le bruit analogique est problématique) et une faible impédance aux hautes fréquences (où les courants de retour numériques ont besoin de courtes voies).

Plans terrestres et plans de fractionnement

Un plan de sol solide est la norme d'or pour les PCB les plus performants. Il fournit un chemin continu à faible impédance pour les courants de retour, réduit l'EMI et simplifie le routage. Cependant, dans certains cas, il est nécessaire de diviser le plan de sol pour isoler différents circuits, par exemple, séparer les terrains analogiques et numériques, ou isoler les sections à haute tension. Le fractionnement doit être fait avec prudence : un plan de sol divisé crée des discontinuités d'impédance dans le chemin de retour de tout signal qui traverse la fraction, entraînant une augmentation du rayonnement et des intersections. Si la division est inévitable, garder la fente aussi courte que possible et ne pas parcourir les traces de signal à travers la fraction, à moins qu'un chemin de retour ne soit fourni (p. ex., en utilisant un pont ou des condensateurs de couture).

Stratégies de mise en oeuvre du plan d'énergie

Plans d'alimentation dédiés

L'utilisation de plans d'alimentation dédiés pour chaque rail de grande tension (par exemple 3,3 V, 5 V, 1,8 V) assure une transmission de tension stable et réduit le couplage du bruit entre les domaines de puissance. Un plan d'alimentation est essentiellement une grande zone de cuivre qui alimente tous les composants de ce rail. La faible résistance de l'avion minimise les chutes IR et sa faible induction chasse efficacement le bruit à haute fréquence au plan au sol. Lorsque plusieurs plans d'alimentation occupent la même couche, ils doivent être isolés par une discontinuité de dégagement, et les courants de retour pour les signaux se référant à chaque plan doivent être gérés avec soin.

Segmentation du plan d'énergie

La segmentation des plans de puissance sert deux objectifs principaux : isolation et contrôle de l'impédance[. Par exemple, la partie alimentation d'une carte qui génère souvent des courants d'entraînement élevés qui peuvent coupler dans des circuits analogiques sensibles via un plan de puissance partagé. En créant une île de puissance séparée pour la section analogique (connectée par une perle ferrite ou une trace étroite), vous pouvez filtrer le bruit à haute fréquence. De même, les circuits numériques logiques et horloges à haute vitesse devraient avoir leurs propres îles de puissance pour empêcher le bruit de se propager vers d'autres parties de la carte.

Optimisation de l'emboutage des calques

Pour les conceptions complexes, il est recommandé d'utiliser au moins quatre couches : deux couches internes pour le sol et la puissance, et des couches extérieures pour les signaux.

  • Couche supérieure (signaux)
  • Plan au sol
  • Plan de puissance
  • Couche inférieure (signaux)

Pour plus de couches (p. ex., huit à seize), jumelez toujours des couches de signal avec des plans de sol adjacents. Utilisez microstrip[ et stripline[stripline[stripline[striplinestriplinestripline[[FLT:]]stripline[[FLT:]][FLT:][FLT:][FLT:][FLT:]][FLT:][FLT:][FLT:][FLT:][FLT:][FLT:][FLT:][FLT:][FLT:][FLT:]][FLT:][FLT:][FLT:][FLT:][FLT:][FLT:][FLT:][F][F][F][F]

Capacions de découplage et de contournement

Les condensateurs de découplage fournissent un stockage local de l'énergie et filtrent le bruit à haute fréquence du réseau de distribution d'électricité (PDN). Placez les condensateurs le plus près possible des goupilles électriques des IC, avec une connexion courte au plan de terre via un canal ou un fil direct de cuivre. Utilisez une combinaison de condensateurs en vrac (p. ex. 10–100 μF) et de condensateurs à haute fréquence (p. ex. 0,1 μF, 0,01 μF et 100 pF) pour couvrir une large gamme de fréquences. Les condensateurs à haute fréquence doivent être placés dans une boucle serrée de la goupille électrique IC, du tampon de condensateur, par le plan de terre. Évitez d'utiliser de longues traces entre le condensateur et l'épingle, car l'inductance de la trace va à l'encontre de l'objectif.

Techniques avancées pour les conceptions complexes

Via pique et clôtures de terre

Par couture, on entend par «placement» plusieurs voies de terre le long d'un plan de terre ou autour de traces sensibles de signaux pour réduire la surface de la boucle et fournir un sentier continu à faible impédance. Une clôture est une rangée de voies très espacées qui relient les plans de terre sur différentes couches, créant ainsi un bouclier coaxial autour de signaux critiques (p. ex. lignes d'horloge, paires différentielles). Cette technique est particulièrement utile dans les conceptions RF à haute fréquence pour empêcher la résonance de la plaque parallèle et supprimer les ondes de surface.

Pours et gestion thermique du cuivre

Les couches extérieures du cuivre sont protégées et réduisent les échanges entre les traces adjacentes. Cependant, il faut veiller à éviter de créer des îles flottantes en cuivre, qui peuvent agir comme antennes. Toujours relier le cuivre vers un filet connu par des passes de couture. Pour les conceptions d'alimentation, le cuivre large verse avec des voies multiples réduisent les pertes résistives et aident à l'expansion de la chaleur. Utiliser relages thermiques sur des coussinets qui se connectent à de grands passes en cuivre pour faciliter la soudure et empêcher les joints froids.

Anneaux de blindage et de garde EMI

Pour les sections analogiques à haute fréquence ou sensibles, envisager d'ajouter un anneau de protection , un anneau de cuivre relié au sol qui entoure toute la zone sensible. Cet anneau, ainsi que des vias cousus sur le plan de sol, forme une cage Faraday qui atténue les champs interférants. Les anneaux de protection sont particulièrement efficaces pour les entrées d'amplificateurs opérationnels, les oscillateurs de cristaux et les circuits PLL. Lors de la conception des anneaux de protection, assurez-vous que l'anneau ne soit pas brisé par des traces de signal et qu'il ait une connexion à faible impossibilité au plan de terre à plusieurs endroits.

Simulation et validation

Simulations d'intégrité des signaux

La conception moderne des PCB repose sur la simulation pour vérifier la performance des plans de mise à la terre et de puissance avant la fabrication. Les simulations d'intégrité des signaux (SI) analysent les chemins de courant de retour, les erreurs d'impédance et les intersections pour les filets critiques. Des outils comme Ansys SIwave, Keysight ADS ou des solutions de rechange open-source peuvent modéliser l'ensemble du PDN et mettre en évidence les zones où les discontinuités du plan de terre causent des sonneries ou des réflexions excessives.

Analyse thermique

Les plans de puissance à courant élevé génèrent de la chaleur qui peut dégrader les performances et la fiabilité. Utilisez la simulation thermique pour identifier les points chauds et optimiser la distribution du cuivre vers. Par exemple, un plan de puissance qui doit transporter 10 A doit être dimensionné de façon appropriée, avec plusieurs vias pour transférer la chaleur à d'autres couches.Incorporer des vias thermiques sous des composants de haute puissance (par exemple, régulateurs de tension, MOSFETs) pour conduire la chaleur aux plans de sol internes, qui agissent comme des répartiteurs de chaleur.

Pièges fréquents à éviter

  • Plans au sol à éclaboussures sous des traces à grande vitesse:[ Un signal traversant un plan au sol scindant les forces retourne les courants pour prendre un chemin plus long, augmentant la surface de boucle et le rayonnement.
  • Utiliser trop de coupes au sol :[ Des fentes ou découpes inutiles dans le plan au sol pour la facilité de routage dégradent l'intégrité du plan. Utilisez par transitions entre les couches pour éviter de couper le plan.
  • Découplage insuffisant:[ Le fait de se fier uniquement à des condensateurs en vrac sans condensateurs de contournement à haute fréquence laisse l'impédance PDN élevée aux fréquences de gigahertz.
  • Ignorer par inductance:[ Un moyen de raccorder un condensateur de découplage au plan de sol a une inductance qui peut être significative (1–2 nH par via). Utilisez plusieurs vias en parallèle pour réduire l'inductance et réduire l'impédance.
  • Poor placement de la puissance et des plans au sol dans la pile: Si la puissance et les plans au sol ne sont pas adjacents, la capacité interplan est réduite, et l'impédance PDN augmente.
  • Floating copper islands:[ Les caractéristiques non connectées du cuivre peuvent coupler le bruit et agir comme antennes.

Conclusion

La maîtrise de la mise à la terre et de la mise en place d'un plan de puissance est essentielle pour obtenir des PCB fiables et performants dans des conceptions complexes. En comprenant les compromis entre la mise à la terre monopoint, multipoints et hybrides, en optimisant les empilements de couches et en appliquant des techniques avancées comme les anneaux de couture et de garde, les ingénieurs peuvent réduire considérablement le bruit, améliorer l'intégrité du signal et contenir l'IME. Les étapes de simulation et de validation, tant pour l'intégrité du signal que pour la gestion thermique, devraient être intégrées dans le flux de conception pour saisir les problèmes tôt.