Monde, trace PCB, mai. Parce que le traçage des PCB est un travail. Et cet article ouvre un bloc entier, dont le but est de donner les bons outils pour cette tâche. Il confirme l'importance de contrôler le chemin du courant de retour et de minimiser l'inductance du circuit de courant des lignes de signaux critiques, ainsi que des recommandations pour leur traçage optimal.
Comme déjà mentionné dans les articles précédents du cycle, dans le processus de développement d'une carte de circuit imprimé doit prendre en compte les possibilités d'une technologie abordable pour sa production. Par ailleurs, par «accessibilité», il faut entendre ici «l'accessibilité dans les délais, le cadre financier et organisationnel». Les limites technologiques sont particulièrement importantes pendant la phase de trace des PCB. Par conséquent, avant de commencer le traçage, il est recommandé d'étudier les normes technologiques du fabricant proposé et de créer un ensemble de règles dans le système de CAO utilisé, dont la mise en œuvre sera automatiquement surveillée lors du traçage de la carte de circuit imprimé. Immédiatement, nous notons que bien que les systèmes de CAO modernes offrent des outils pour tracer automatiquement une carte de circuit imprimé, ils ne seront pas considérés dans cet article et, en général, leur utilisation n'est pas recommandée. Ce n'est que pour un projet relativement simple avec un bon placement des composants et un ensemble de règles bien pensé que ces outils fournissent une topologie de haute qualité.
N'oubliez pas le courant de retour
Le traçage des PCB est le processus par lequel le développeur définit les trajets du flux de courant dans les couches de métallisation des PCB. Dans les circuits électriques, les courants circulent le long de circuits fermés - circuits - du pôle positif de la source de tension au négatif. Par conséquent, il doit être compris que le courant continu circulant de la source de tension vers la charge correspond toujours au courant de retour circulant de la charge vers la source. Cette paire de courants forme une boucle fermée, dont le contrôle des paramètres, notamment dans le cas des signaux haute fréquence, est la tâche principale du développeur. Un grand nombre d'erreurs et de problèmes avec EMC et EMR des cartes de circuits imprimés est précisément dû au fait que le développeur n'analyse pas les trajectoires et l'influence mutuelle des courants de retour. Dans la fig. La figure 1 montre un chemin de courant typique de la ligne de signal, et un rectangle coloré met en évidence la partie de ce circuit, qui reçoit généralement la plupart de l'attention du développeur, tandis que la partie restante du circuit reste parfois seule. La figure reflète également le fait que les circuits intégrés ne sont pas des sources d'énergie électrique. Ils remplissent la fonction d'éléments clés complexes, tandis que les sources d'énergie sont des batteries, des condensateurs du sous-système d'alimentation, ainsi que des sources externes au circuit imprimé.
Lorsque le chemin du courant de retour n'est pas défini par le développeur, il est déterminé par la topologie de la carte (principalement le fil commun) et les lois de la physique (comme, cependant, toujours) - il y a une distribution de la densité de courant le long des chemins en proportion inverse de leur impédance. Dans le cas général, cette distribution n'est pas exprimée analytiquement, cependant, pour les cas simples, des solutions existent. Dans le
deuxième article du cycle, il a été recommandé de placer des couches de signaux à proximité d'une couche continue de terre ou d'électricité. Dans cette configuration, la distribution du courant de retour dans la couche de référence pour le signal basse fréquence est proche de l'uniforme (figure 2A), car avec l'expansion de la zone de courant, l'impédance déterminée par la composante résistive diminue. Au fur et à mesure que la fréquence augmente, l'influence de la composante réactive devient décisive et le chemin passant sous le chemin du signal a une inductance minimale, car la zone de boucle est minimale (figure 2B, voir le
premier article). Une estimation analytique de la densité de distribution du courant de retour d'une ligne microruban mince (largeur w ≤ h) est donnée par la formule suivante (x est la distance du centre géométrique de la ligne, h est la hauteur au-dessus de la couche de référence):
Une telle distribution fournit une valeur minimale d'inductance, c'est-à-dire que pour toutes les fréquences pour lesquelles la résistance ohmique est négligeable par rapport à la réactance, elle sera décrite par cette formule. Une analyse de la distribution montre que 50% du courant est concentré dans la bande ± h, et 80% du courant dans la bande ± 3h.
Il est important de comprendre que les signaux réels sont constitués d'un ensemble de fréquences ayant une certaine distribution spectrale, alors qu'elles ont le plus souvent une partie de bruit, dont le spectre peut différer considérablement du spectre du signal lui-même. Par exemple, dans la ligne électrique "basse fréquence", un bruit impulsionnel haute fréquence important peut se produire lors de la commutation de circuits numériques. Ainsi, pour les composantes basse fréquence du signal, le courant de retour est distribué uniformément dans une large zone le long du chemin le plus court, et pour les hautes fréquences (f≳100 kHz), il est concentré dans une région étroite à la proximité maximale du courant continu.
Éviter les découpes dans la couche de base
Toute déviation de la distribution du courant par rapport à l'optimal entraîne une augmentation de l'inductance de la boucle de courant. Une déviation se produit s'il y a des découpes (eng. Split, slot, gap) dans la couche de support, qui peuvent être causées par des traversées mécaniques et des vias, un certain nombre de vias ou de fils terminaux, une piste de signal dans la couche de butée (Fig.3). Howard Johnson dans [2, section 5.3] donne une estimation de l'inductance introduite par une discontinuité étroite de longueur D:
où w est la largeur de la piste, l'influence de la largeur de l'espace lui-même est faible. Pour une piste de signal d'une largeur w = 0,2 mm avec un intervalle de longueur D = 1 cm, l'augmentation de l'inductance sera ∆L1 ≈ 8 nH. À titre de comparaison, si le chemin du signal était tracé autour de l'écart, sa longueur augmenterait en moyenne de D, ce qui, à son tour, avec la hauteur de piste au-dessus de la couche de référence h = 0,25 mm, entraînerait une augmentation de l'inductance deux fois plus faible:
Minimiser l'inductance
Une inductance parasite est présente pour chaque élément de la carte de circuit imprimé - pistes, trous d'interconnexion, couches continues, joints soudés, fils de microcircuit, soudage par micro-fil. Pourquoi est-il important de minimiser l'inductance parasite des lignes critiques (sources agressives de bruit haute fréquence et circuits analogiques sensibles à faible courant)? Il suffit de rappeler quelques formules dans lesquelles l'inductance est incluse en paramètre: une formule reliant le flux d'un champ magnétique et l'intensité du courant dans un conducteur
formule qui relie la FEM d'induction lorsque le courant dans le conducteur change
formules de fréquence de résonance
et le facteur de qualité du circuit LC
Ainsi, plus l'inductance est élevée, plus le rayonnement est élevé, plus le bruit pulsé, y compris la diaphonie, est élevé, plus la fréquence d'excitation des oscillations parasites est faible et plus le temps de décroissance est long. Tous ces effets, bien sûr, ne sont pas souhaitables, et les problèmes qui leur sont associés ne peuvent pas toujours être résolus en retravaillant la carte de circuit imprimé, comme l'installation de composants de filtrage supplémentaires, le blindage.
R.1.
Il est essentiel d'acheminer les lignes de signaux haute fréquence, en minimisant l'inductance du circuit, ce qui est obtenu par:
- minimiser la longueur de la piste d'impression,
- exclusion des transitions entre couches de signaux,
- la proximité de la piste avec la couche de référence,
- absence de lacunes dans la couche de référence sur la trajectoire du courant de retour.
S'il n'est pas possible d'éliminer l'écart étendu dans la couche de référence sous la ligne de signal, il est recommandé qu'au moins un condensateur en céramique (condensateur de couture anglais) soit situé à la proximité maximale de la ligne de signal, fournissant un chemin de courant de retour à travers la section. Cependant, à mesure que la fréquence augmente, l'inductance parasite du condensateur et de ses composés avec la couche de référence diminue l'efficacité de la solution.
Optimiser les transitions de couches
La question importante de la transition de piste entre les couches de signaux doit être examinée séparément, car il n'est pas toujours possible d'exclure le réticule pour tous les signaux critiques. Dans la fig. La figure 4 montre les trajets des courants aller et retour pour diverses options de transition entre les couches. La figure montre conditionnellement l'effet de l'effet peau: des courants de retour circulent dans la couche superficielle du conducteur. En augmentant le nombre de flèches rouges, on peut juger de l'augmentation de l'inductance totale du chemin auquel s'ajoute l'inductance des vias, et dans le cas de couches de support différentes et de l'inductance des joints soudés et de l'inductance série du condensateur (inductance série équivalente en anglais, ESL). De plus, dans le cas de couches de support de potentiels différents, la partie haute fréquence du courant de retour circule sous forme de courants de polarisation (flèches pointillées rouges). En plus des problèmes d'intégrité du signal, cela conduit à l'apparition de bruit dans ce circuit d'alimentation et à une augmentation du niveau de rayonnement électromagnétique [3].
Henry Ott dans [4, Section 16.3.3] présente les données d'une expérience dans laquelle le changement du niveau de rayonnement électromagnétique pour une carte de circuit imprimé à quatre couches a été étudié dans le cas d'une transition d'une ligne haute fréquence de la couche supérieure à la couche inférieure avec des terres de référence. Les couches de support n'étaient pas interconnectées par des vias, mais uniquement en raison du couplage capacitif. Le niveau de rayonnement pour la même carte où la ligne de signal était séparée en une couche a été pris comme niveau initial. L'augmentation était d'environ 30 dB à une fréquence de ~ 250 MHz, et seulement après 2 GHz, la capacité distribuée de la carte de circuit imprimé a fourni une impédance suffisamment faible de la transition entre les couches de référence pour que le niveau EMR ne diffère pas beaucoup. L'expérience montre l'importance d'éliminer les transitions entre les couches de signaux pour les lignes à haute fréquence.
R.2.
Dans les cas où il est impossible d'éviter la transition, les options suivantes sont recommandées par ordre de priorité:
- entre deux couches adjacentes à la même couche de support (figure 4B),
- entre deux couches adjacentes aux couches de support du même potentiel (puissance / masse), tout en étant à proximité maximale du lieu de changement de la couche (figure 4B) et, de préférence, le long de la ligne de signal, les couches de support sont reliées par des vias,
- entre deux couches adjacentes à des couches de support adjacentes de potentiels différents, tandis qu'à proximité maximale du lieu de changement de la couche, les couches de support sont connectées par au moins deux condensateurs céramiques à faible inductance de connexion (Fig. 4G),
- entre deux couches adjacentes à des couches de support espacées de potentiels différents, tandis qu'à proximité maximale du lieu de changement de la couche, les couches de support sont connectées par des condensateurs céramiques à faible inductance de connexion - déconseillés pour les signaux critiques avec des bords de l'ordre de 1 ns.
Il n'est pas recommandé de basculer entre plus de deux couches pour les signaux critiques. La couche de support préférée dans les deux premières variantes est la couche de terre. Si la couche de référence est la couche de puissance, il est alors nécessaire de fournir une faible impédance du sous-système de puissance dans la bande de spectre du signal. Notez que le plus souvent, un grand nombre de condensateurs en céramique sont situés près des microcircuits, donc changer la couche du chemin du signal près du récepteur / émetteur est le plus optimal et dans le meilleur des cas ne nécessite pas le placement de composants supplémentaires.
Dans les circuits imprimés complexes, il existe de nombreuses lignes de signaux et il n'est pas possible de respecter les recommandations spécifiées dans cet article pour tous les signaux, en particulier compte tenu des exigences élevées pour les dimensions des produits finaux. C'est pourquoi il est nécessaire de sélectionner un groupe de signaux critiques à haute fréquence et sensibles et de commencer leur traçage. Dans ce cas, la disposition des composants associés à ce groupe devrait offrir la possibilité d'un câblage optimal des signaux critiques. La tâche de minimiser l'inductance de la boucle de courant n'est qu'un des aspects du traçage des lignes de signal; dans les prochains articles du cycle, les techniques de câblage et les circuits d'adaptation qui réduisent les réflexions et la diaphonie dans les lignes seront examinés.
Littérature
[1] Holloway CL, Kuester EF "Expressions de forme fermée pour la densité de courant sur le plan de sol d'une ligne à microruban, avec applications à la perte de plan de sol." Transactions de l'IEEE sur la théorie et les techniques des micro-ondes, vol. 43, non. 5, mai 1995.
[2] Johnson H. "Conception numérique à grande vitesse: un manuel de magie noire", Prentice Hall, 1993.
[3] Cui W., Ye X., Archambeault B., etc. "EMI résultant de signaux via des transitions via le bus d'alimentation CC", Symposium international IEEE sur la compatibilité électromagnétique, 2000.
[4] Ott, HW Electromagnetic Compatibility Engineering, Wiley, 2009.
L'article a été publié pour la première fois dans la revue Components and Technologies 2018, n ° 2. La publication sur Geektimes a été approuvée par les rédacteurs du magazine.