L'influence de la conception du réseau de distribution d'électricité sur la performance de l'emc

Plans d'échouement et voies de retour

Un plan sol solide et ininterrompu fournit un chemin de retour à faible inductance pour tous les signaux et courants de puissance. Inversement, les fentes, les fentes ou les mauvaises connexions créent de grandes zones de boucle qui agissent comme antennes efficaces.

[Meilleures pratiques:

• Utilisez au moins une couche plane continue dans un PCB multicouche. Pour les conceptions à grande vitesse, deux plans plane en sandwich avec le plan de puissance est idéal.
• Ne pas faire passer les signaux à grande vitesse sur une fraction du plan au sol. Le courant de retour doit détourner, augmentant la surface de boucle et les émissions en mode commun.
• Si une séparation est inévitable (p. ex. pour l'isolement entre les sections analogiques et numériques), il faut combler l'écart par des perles de ferrite ou une trace de faible impossibilité et garder les signaux éloignés de la séparation.
• Utilisez une étoile ou un sol multipoints pour les IC à signaux mixtes pour empêcher le bruit numérique de contaminer les circuits analogiques.

La distance entre le plan de puissance et le plan de terre influe de façon significative sur la capacité distribuée des PDN. Les diélectriques thinner (p. ex., 100 μm FR4) fournissent une capacité plane plus élevée et une impédance plus faible, améliorant le découplage à haute fréquence.

Trace Layout: Largeur, Longueur et Routage

Les traces de puissance et de sol doivent être traitées comme des lignes de transmission, leur induction parasitaire et leur résistance affectent directement la chute de tension et l'IME.

Lignes directrices:

• Utiliser de larges traces ou des plans entiers pour la distribution de l'énergie. Une trace de cuivre de 1 oz de 100 mL de largeur a environ 50 nH/in inductance; un plan a environ 0,7 nH/in par carré.
• Gardez les traces aussi courtes que possible, surtout pour les connexions de condensateur de découplage à haute fréquence. Chaque millimètre de trace ajoute ~1 nH d'inductance.
• Par exemple, une trace de puissance sur un plan au sol crée une microstrip avec une impédance contrôlée et une zone de boucle réduite.
• Évitez les coins aigus de 90 degrés; utilisez des virages de 45 degrés ou des traces courbes pour réduire l'IMI.

Dans les panneaux multicouches, la distribution de puissance devrait être effectuée par des couches dédiées plutôt que par des traces lorsque cela est possible.

Stratégies de conception avancées pour améliorer la CEM

Au-delà des facteurs de base, plusieurs techniques avancées peuvent améliorer encore la performance d'un RPD en CEM. Ces stratégies nécessitent une planification minutieuse au cours de la phase de conception initiale et impliquent souvent une simulation.

Utilisation des plans terrestres et des îles Power

Les avions au sol en continu sont essentiels, mais parfois les concepteurs doivent séparer les différents domaines de tension.Les îles de puissance – des régions distinctes d'un plan de puissance dédié à différentes sources (par exemple 3.3V, 1.8V, analogique 5V) – peuvent être utilisées tout en maintenant un plan de terre contigu. Le plan de terre sous l'île de puissance ne doit pas être brisé. Les îles elles-mêmes devraient être reliées aux régulateurs de tension respectifs par des voies à faible inductance ou des vers de plan dédié.

Pour les conceptions à signaux mixtes, le plan de sol est souvent maintenu solide, et le sol analogique est relié au sol numérique à un seul point (souvent près de l'ADC ou du DAC).

Ségrégation des circuits bruyants et sensibles

La séparation physique des circuits numériques à haute tension et à commutation rapide (processeurs, FPGA, régulateurs de commutation) des circuits analogiques ou RF sensibles réduit le couplage croisé et les couplages par rayonnement. La distribution de puissance doit être acheminée de façon à ce que les circuits bruyants soient situés près de l'entrée de puissance de la carte, tandis que les circuits sensibles sont plus éloignés avec leur propre découplage et filtrage dédié.

Étapes pratiques:

• Placer les convertisseurs de commutation et leurs inducteurs associés loin des sections analogiques ou RF.
• Utilisez des modules de régulateur de tension séparés pour les rails numériques et analogiques.
• Router les traces de puissance à travers les anneaux de protection ou avec des piqûres au sol le long de la frontière de séparation.

Composants de filtration: Perles de ferrite et filtres Pi

Les perles de ferrite sont largement utilisées pour supprimer le bruit à haute fréquence sur les rails de puissance. Elles agissent comme filtres à passe basse, présentant une impédance élevée aux fréquences supérieures à leur fréquence autorésonne. Cependant, une sélection inappropriée peut provoquer une résonance avec capacité en aval, conduisant à l'amplification du bruit.

• Placement:[ Placer des perles de ferrite près du dispositif filtré, de préférence sur la trace d'entrée de puissance avant le condensateur en vrac.
• Sélection de valeur:[ Choisissez une perle avec une impédance maximale à la fréquence sonore (p. ex. 100 MHz pour le bruit numérique courant).
• Filtres Pi: Un filtre Pi (condensateur-ferrite-condensateur) fournit une atténuation plus forte qu'un perle seul. Cette configuration est courante pour les fournitures analogiques sensibles.

Pour les émissions effectuées, les filtres de ligne sur le connecteur d'alimentation d'entrée (p. ex., les amortisseurs à mode commun, les condensateurs X/Y) sont obligatoires pour de nombreuses normes réglementaires.

Simulation et essai de PDN pour EMC

La conception moderne de l'EMC ne peut pas reposer uniquement sur des règles de base; la simulation est essentielle pour vérifier les performances de PDN avant les prototypes.

• DC IR drop analyse:[ S'assure que les chutes de tension à travers le PDN sont dans les limites de la charge maximale.
• Impédance vs fréquence: Calcule le profil d'impédance PDN de DC à 10 GHz, en identifiant les résonances.
• Simulation transitoire:[ Modélise le tirage courant d'un IC et évalue les courants d'ondulation et de boucle de tension.
• Simulation électromagnétique (EM) :[ Simulation en ondes complètes (p. ex., utilisant le HFSS, le CST) pour modéliser les émissions apparentes des boucles PDN et des bords du plan.

Les essais sont également critiques, notamment :

• Mesure de l'impédance PDN avec un analyseur de réseau vectoriel (VNA) et un montage qui imite les broches de puissance IC.
• Utiliser des sondes à champ proche pour identifier les points chauds d'émission sur les panneaux prototypes.
• Effectuer des tests de conformité complets dans une chambre semi-anéchoïque conformément à des normes telles que la CISPR 32 ou la partie 15B de FAC.

La combinaison de simulation et d'essais itératifs permet aux concepteurs de repérer les faiblesses du PDN – comme un condensateur manquant ou une résonance sous-déteint – avant la production.

Exemple de conception pratique : Améliorer les CEM grâce à l'optimisation du RPN

Les mesures initiales montrent des émissions apparentes dépassant la limite de classe B par 8 dB à 400 MHz. Le PDN est constitué d'un seul condensateur 0,1 μF par goupille de puissance, d'un condensateur de tantale en vrac de 10 μF et d'un plan de terre continu sur la couche 2. La puissance est acheminée sur la couche 4 comme une mince trace.

Diagnostic:

1. La simulation de l'impédance révèle un pic de résonance à ~350 MHz causé par la combinaison du condensateur en vrac, , et de l'inductance plane.
2. La trace de puissance entre la sortie VRM et le micro ajoute ~30 nH d'inductance, créant un chemin de haute impédance.
3. Les condensateurs de découplage sont placés à 15 mm des goupilles de puissance IC, ajoutant une inductance parasitaire.

Remédiation:

1. Changez la trace de puissance en un plan de puissance dédié sur la couche 4, réduisant l'inductance de boucle par un facteur de 10.
2. Ajouter un tableau de quatre condensateurs 0,1 μF 0402 directement adjacents aux goupilles de puissance du microcontrôleur, avec des vias à la terre < 0,3 mm.
3. Ajouter un condensateur 1 μF pour humidifier la résonance de la fréquence moyenne et un condensateur 0,01 μF pour le découplage à ultra-haute fréquence.
4. Utilisez une perle ferrite en série avec le rail d'alimentation analogique pour isoler le bruit numérique.

Après ces changements, les simulations montrent que l'impédance est tombée de 0,5 ohms à moins de 0,1 ohms jusqu'à 1 GHz. La nouvelle mesure du prototype montre des émissions réduites de 12 dB à 400 MHz, bien dans les limites.

Conclusion

L'influence de la conception du réseau de distribution d'électricité sur les performances des CEM ne peut être surestimée. Chaque aspect – contrôle de l'impédance, découplage du positionnement du condensateur, mise à la terre, mise en page, filtrage et simulation – doit être soigneusement examiné pour atteindre un système qui répond à la fois aux exigences réglementaires et aux attentes fonctionnelles.