Utilisation d'un plan au sol et de Vias pour réduire au minimum l'IMI dans les BPC

L'interférence électromagnétique (IMM) est un défi persistant dans la conception des cartes de circuits imprimés modernes. L'augmentation des vitesses de l'horloge et l'augmentation de la densité des composants peuvent entraîner des émissions apparentes ou des problèmes de susceptibilité qui entraînent des défaillances du système, la corruption des données et des défaillances coûteuses de conformité. L'atténuation efficace de l'IMU repose souvent sur deux techniques fondamentales : la mise en œuvre soigneuse des plans au sol et l'utilisation stratégique des vias.

Plans terrestres: Fondation du contrôle de l'IME

Un plan de terre est une zone de cuivre continu sur une couche de PCB qui sert de tension de référence commune à tous les circuits. Sa fonction principale est de fournir un chemin de retour pour le courant avec une impédance extrêmement faible, en particulier aux hautes fréquences où l'effet de peau limite le courant à la surface des conducteurs.

  • Stratégie de retour de faible inductance:[ Les courants de signal retournent dans le plan directement sous la trace, minimisant ainsi l'inductance de boucle et les émissions apparentes.
  • Effet plan image : Le plan sol reflète les ondes électromagnétiques, confiner les champs entre la trace et le plan. Cela réduit le crosstalk et maintient les émissions contenues dans le plateau de mise en place.
  • Shielding:[ Un plan de sol sur une couche externe peut protéger les composants sensibles des sources de bruit externes et empêcher le bruit interne de s'échapper.
  • Plan de référence pour la distribution de puissance:[ Lorsqu'il est utilisé en combinaison avec un plan de puissance, il forme une capacité distribuée qui aide à découpler le bruit à haute fréquence.

Types d'avions terrestres

Tous les plans de sol ne sont pas identiques. Le choix entre un fil solide en cuivre et un profil éclos ou en grille dépend des contraintes de fabrication et des exigences d'application. Les plans solides offrent la plus faible impédance et le meilleur blindage, mais dans les panneaux multicouches à haute densité de cuivre, la gestion thermique peut devenir un problème. Les plans de sol hachés sont parfois utilisés dans des circuits flexibles ou où la planche doit résister à une contrainte thermique, mais ils introduisent une inductance plus élevée et peuvent ne pas supprimer EMI aussi efficacement.

Meilleures pratiques pour la conception d'un plan de terrain

  • Éviter de diviser les plans au sol: Le fractionnement d'un plan au sol en sections analogiques et numériques est une fausse idée commune. Les conceptions modernes de signaux mixtes fonctionnent mieux avec un seul plan au sol ininterrompu. Les fentes créent des antennes de fente qui rayonnent aux fréquences de résonance des fentes, ce qui dégrade les performances de l'IME.
  • Placer des plans au sol près des couches de signal:[ Dans une pile multicouche, maintenir le plan au sol directement adjacent à la couche de signal réduit la surface de boucle et minimise l'impédance. Par exemple, une planche à quatre couches avec des signaux sur les couches supérieure et inférieure devrait avoir du sol sur la couche 2 et de la puissance sur la couche 3, ou vice versa.
  • Assurez-vous de manière adéquate par couture:[ Lorsque des plans au sol existent sur plusieurs couches, ils doivent être reliés à plusieurs vias placés à intervalles réguliers, surtout autour du périmètre du panneau et près des traces à grande vitesse. Sans couture, les îles au sol peuvent former qui vont à l'encontre de l'objectif d'une référence continue.
  • Utiliser des avions au sol sous des générateurs d'horloges et des oscillateurs:[ Ces composants sont des sources notoires de l'IME. Un plan au sol solide sous eux, avec des traces de garde et par des clôtures, aide à contenir les champs.

Vias: Les connecteurs qui suppriment les émissions

Les vias sont de petits trous plaqués qui relient différentes couches d'un PCB. Ils sont essentiels pour établir des connexions à faible inductance entre les plans au sol, mais ils introduisent aussi une inductance et une capacitance parasitaires qui peuvent affecter la qualité du signal et l'IME.

Types et leur impact sur l'IME

  • Par les vias du trou:[ Ceux-ci vont de la couche supérieure à la couche inférieure. Ils ont une inductance plus élevée en raison de leur longueur, mais ils sont les plus faciles à fabriquer. Pour les coutures au sol-plan, plusieurs vias du trou placé en parallèle réduisent l'inductance globale et améliorent la suppression EMI.
  • Les vias blind et enterrés: Les vias blind relient une couche externe à une couche interne, tandis que les vias enfouis ne relient que des couches internes.Ils réduisent l'inductance parasitaire par rapport aux vias de trous car les stubs sont plus courts. Ils sont couramment utilisés dans les conceptions denses et à haute fréquence où chaque picoseconde compte.
  • Microvias: Le plus petit via type, généralement formé par forage laser dans des cartes d'interconnexion haute densité (HDI). Leur faible inductance les rend excellents pour fournir des connexions au sol directement sous ICs et pour des techniques via-in-pad qui découplent la puissance sans traces longues.

Effets parasitaires et comment les atténuer

Chaque via a une petite quantité d'inductance de série (habituellement 0,5–1 nH pour une norme de 0,3 mm via) et une capacité aux plans environnants. À de hautes fréquences, cette inductance peut augmenter l'impédance au sol, en vainquant l'objectif de faible impédance d'un plan au sol.

  • Utiliser plusieurs vias en parallèle : Placer plusieurs vias côte à côte pour relier deux plans au sol réduit l'inductance nette. L'inductance totale de n vias en parallèle est approximativement L/n (avec un certain couplage).
  • Short par talons:[ Un talon est la partie inutilisée d'un via qui s'étend au-delà des couches connectées. De longs talons agissent comme des antennes résonantes à certaines fréquences.
  • Optimiser par l'espacement: Lorsque l'on cueille des plans au sol le long du bord d'une planche, l'espace passe à des intervalles ne dépassant pas 1/20 de la longueur d'onde de la plus haute fréquence de préoccupation. Pour un signal de 1 GHz, cela signifie un espacement d'environ 5 mm. Pour les fréquences d'émission courantes (30 MHz à 1 GHz), un espacement de 1/8 pouce (3 mm) ou plus serré est souvent utilisé.

Via Escrime pour le blindage

Une clôture est une rangée de traverses très espacées qui entoure une zone sensible ou une trace bruyante. Elle agit comme un mur continu de cuivre qui contient des champs électromagnétiques. Cette technique est particulièrement efficace pour:

  • Réduire le crosstalk entre les traces adjacentes: Placer une clôture entre deux lignes à grande vitesse peut améliorer l'isolement de 10 à 20 dB.
  • Signaux d'horlogerie:[ Un passage par une clôture autour de la trajectoire de l'horloge empêche le rayonnement vers d'autres parties du panneau.
  • Enveloppe des sections analogiques :[ Dans les conceptions à signaux mixtes, une clôture peut séparer les sections analogiques et numériques tout en maintenant un plan de terrain commun sous la clôture.

Conception des meilleures pratiques pour les plans et les voies terrestres dans l'atténuation de l'IME

Les pratiques suivantes résument les principes discutés ci-dessus en une méthodologie de conception cohérente, qui devrait être adaptée en fonction de la technologie spécifique du conseil, de la gamme de fréquences et des exigences réglementaires (p. ex. FAC, CISPR).

Placement des couches et des plans

  • Utiliser au moins une pile à quatre couches pour les conceptions à signaux à grande vitesse (fréquences horaires supérieures à 50 MHz, vitesses de bordure inférieures à 1 ns). Dédiez une couche comme plan sol solide et une autre comme plan de puissance. Le plan sol doit être adjacent à la couche contenant les signaux les plus critiques.
  • Pour les planches à deux couches, utilisez un sol versant sur la couche inférieure aussi près que possible des traces du signal supérieur. Placez le sol versez sur le sol supérieur avec plusieurs vias le long du chemin du signal. Même un plan de sol partiel est meilleur que nul.
  • Évitez de placer les plans de puissance et de sol à côté les uns des autres dans la pile-up si le diélectrique est très mince, car cela peut créer une forte capacité qui réduit le bruit de puissance mais peut également coupler le bruit entre les plans à travers le diélectrique.

Retour Gestion actuelle

Les courants de signal reviennent toujours par le chemin de la moindre impédance, qui à haute fréquence est directement sous la trace du signal sur le plan de sol adjacent. Si le plan de sol a une fente ou une discontinuité, le courant de retour doit se détourner, augmentant la surface de boucle et le rayonnement.

  • Signaux de routage sur sol continu Si un signal doit changer de calque, fournir une paire de vias proches de la transition de calque : un pour le signal et un pour le courant de retour (souvent un sol via). Cela maintient la boucle serrée.
  • Lorsque vous traversez une fente dans le plan du sol, utilisez des condensateurs de couture ou faites circuler le signal autour de la fente. Mieux encore, évitez les fractions. Si une fente est inévitable (p. ex. pour une faille d'isolement à haute tension), placez la trace du signal sur l'écart seulement si elle est bien en dessous de la fréquence de résonance de la fente.

Via Placement autour des composants

Les composants générateurs de bruit tels que les régulateurs de commutation, les oscillateurs d'horloge et les FPGA nécessitent une attention particulière:

  • Surrounder le composant avec un anneau de vias sol sur la couche supérieure, se reliant au plan intérieur du sol. Cela crée un sol local à faible impédance et contient des émissions de champ proche.
  • Placez les condensateurs de découplage le plus près possible des goupilles de puissance,[ avec de courtes traces de puissance et de sol par des tampons. Le sol par l'intermédiaire de chaque condensateur devrait se connecter directement au plan de sol sans longueur de trace supplémentaire.
  • Utiliser plusieurs vias pour chaque support de masse d'un composant (p. ex., tampons thermiques de paquets QFN), ce qui réduit au minimum l'inductance entre la liaison interne du IC au sol et le plan de masse des BPC.

Liaison de terre et de châssis du périmètre

Pour les boîtiers et les boîtiers blindés, le plan de sol en PCB doit être relié au châssis en plusieurs points. Utilisez un anneau de vias autour du bord de la planche (souvent appelé un «anneau de protection») pour créer une connexion à faible impossibilité au châssis.

Considérations et échanges mondiaux réels

Conceptions numériques haute vitesse et conceptions RF

Dans les circuits numériques à grande vitesse (p. ex. PCIe, DDR, USB 3.0), l'accent est mis sur la réduction des boucles de courant de retour et le contrôle de l'impédance. Les plans au sol doivent être solides sous chaque paire différentielle, et par couture est critique où les signaux changent de couches. Dans les conceptions RF, le plan au sol sert également de référence de ligne de transmission.

Gestion thermique

Les avions en cuivre conduisent la chaleur, mais les avions en sol dense peuvent gêner la construction de la ligne de front pendant le reflow si la distribution du cuivre est déséquilibrée. Les concepteurs peuvent avoir besoin d'ajouter de petites fentes ou de petites fentes pour le soulagement thermique, mais ces fentes peuvent devenir des problèmes EMI si elles traversent les voies de signal. Le compromis est de s'assurer que les discontinuités dans le plan au sol sont petites par rapport à la longueur d'onde de la plus haute fréquence, et de placer les coutures autour des trous pour maintenir une connexion à faible impossibilité entre les deux zones de cuivre.

Coûts et fabrication

Pour les produits de consommation peu coûteux, une planche à quatre couches avec des vias de trou peut être le meilleur équilibre. Pour les conceptions à haute fiabilité ou à grande vitesse, l'investissement dans les technologies avancées permet souvent de réduire l'IMI, de réduire les échecs des tests EMC et de réduire le temps de mise en marché.

Conclusion

Les plans au sol et les vias ne sont pas seulement des éléments passifs dans une disposition PCB; ils sont des outils actifs pour gérer l'énergie électromagnétique. Un plan au sol bien conçu fournit une référence à faible inductance et protège les signaux sensibles, tout en plaçant stratégiquement vias s'assure que le sol continue sans interruption entre les couches et les composants. En suivant les meilleures pratiques décrites ci-dessus — comme maintenir des plans continus, les vias à des intervalles réguliers, gérer les courants de retour, et utiliser via des clôtures pour isoler — les concepteurs peuvent réduire considérablement l'IME et améliorer la fiabilité globale du système.

Les outils de simulation comme Ansys HFSS, CST Studio Suite et même les résolveurs de terrain plus simples intégrés dans les outils de mise en page des PCB peuvent aider à valider l'efficacité de ces techniques avant la fabrication.Pour plus de détails, consultez les ressources de IEEE EMC Society, les notes d'application de Texas Instruments on ground plan linelines, et les guides pratiques de Altium's Design Library. La maîtrise de ces techniques va payer des dividendes en réduction du temps de débogage, en baisse des coûts de certification et en plus de produits plus robustes.