Le marché électronique actuel nécessite l'intégration de plusieurs fonctions haute vitesse sur des cartes de circuits imprimés miniaturisées (PCBS) sur une seule carte, ce qui conduit les concepteurs à placer les câbles très près les uns des autres pour optimiser l'emballage et l'espace. Cette proximité peut conduire à un couplage inattendu de champs électromagnétiques, un phénomène connu sous le nom de diaphonie (voir Figure 1).

Figure 1 : Représentation graphique des lignes adjacentes sur un PCB avec des problèmes potentiels de diaphonie.

Bien qu'un emballage haute densité soit inévitable, certaines règles de conception de PCB liées au câblage sur le PCB ne doivent pas être violées afin d'éviter d'éventuels problèmes de diaphonie et d'interférences/compatibilité électromagnétiques (EMI/EMC).

(Dans les sections suivantes, l'expression « réseau critique » fait référence aux lignes d'horloge/données à grande vitesse, aux lignes de capteurs importantes, etc., sur un PCB, en fonction de l'application du PCB.)

Règle 1 : Réseaux clés à proximité des réseaux d'E/S

Il est important d'examiner le câblage du réseau critique associé aux lignes d'E/S, car le bruit peut facilement être couplé à la carte via ces lignes d'E/S entrant et sortant du PCB (voir Figure 2) ou transporté vers d'autres planches.

Figure 2 : Diagramme schématique d'un scénario dans lequel le réseau critique et le réseau d'E/S sont câblés à proximité l'un de l'autre.

Tout bruit qui pénètre dans la carte via la ligne d'E/S a le potentiel d'être couplé au réseau critique qui transporte des signaux de données/d'horloge importants, ce qui constitue essentiellement un problème d'immunité des PCB (Figure 3A). De la même manière, tous les signaux à haut débit transportés par le réseau critique peuvent être couplés au réseau d'E/S et éventuellement transmis au monde extérieur et à d'autres modules du système via des lignes d'E/S hors carte. En principe, il s'agirait d'un problème de rayonnement pour le PCB (Figure 3B).

Figures 3A (à gauche) et 3B : problèmes potentiels EMI/EMC causés par la proximité des réseaux critiques et d'E/S

Règle 2 : longueur de trace critique exposée

Dans les PCBS à grande vitesse à courte longueur d'onde (& GT; 100 MHz), la longueur électrique de tout réseau critique (voir figure 4a) est suffisante pour en faire une source de rayonnement efficace, notamment lorsqu'il est exposé aux couches supérieure ou inférieure. Ce rayonnement indésirable peut être couplé à n'importe quel câble adjacent, même à un câble dans un appareil proche du câble. Nous recommandons d'enterrer le réseau critique entre les plans solides de la couche interne du PCB, comme le montre la figure 4b. Cela permet d'isoler le champ de la ligne et d'éviter tout couplage involontaire sous forme de diaphonie ou d'EMI. Si ces réseaux critiques doivent être exposés dans la couche externe, la longueur de la partie exposée doit être aussi petite que possible. En effet, plus les fils exposés sont courts, moins ils émettent de rayonnement, car s'ils étaient électriquement petits, ils seraient des antennes inefficaces.

Figues. 4A (à gauche) et B : Schémas de réseaux critiques exposés ou fermés entre plans

Règle 3 : correspondance de réseau de différence critique

En théorie, les paires différentielles transmettent des signaux de taille égale mais de polarité opposée, car les EMI qu'elles produisent s'annulent ou sont négligeables. Cependant, cela ne fonctionne que si les lignes de la paire sont de même longueur et aussi proches les unes des autres que symétriquement possible. La violation de l’un de ces éléments peut provoquer du bruit en mode commun et des problèmes EMI. Ceci est très préoccupant, en particulier pour les réseaux différentiels transportant des signaux critiques haute fréquence, car les EMI augmentent la fréquence des signaux transportés. La figure 5 montre plusieurs exemples de câblage correct/incorrect de paires de différences critiques entre le boîtier IC et les points de sortie (connecteurs) sur la carte de circuit imprimé.

Figure 5 : Chemin de retour actuel avec division dans le plan de référence

Appariement de réseau de différences critiques : simulation et relation avec les exigences de test réelles

Dans l'exemple de PCB des figures 6A et 6b, nous avons un cas simple où les paires différentielles sont câblées sur le PCB de deux manières différentes : symétrique et asymétrique. Dans les deux cas, dans SIwave, ils sont excités à une extrémité par une source de tension différentielle et connectés à l’autre extrémité par une charge.

Figures 6A (à gauche) et B : Exemples de paires différentielles pour câblage sur PCB

Nous effectuons une analyse en champ proche dans les deux cas. Dans les PCBS avec câblage symétrique à paire différentielle, le niveau de champ proche est inférieur à celui de leur câblage asymétrique, comme le montrent les Fig. 7A et 7b.

Figues. 7a (à gauche) et B : champ proche à 597.45 MHz avec réseaux de paires de différence symétriques et asymétriques

Supposons que nous souhaitions tester le PCB conformément aux exigences d'émission radiante des réglementations EMI/EMC AIS 004 (en Inde) ou UNECE R10 (en Europe). La figure 8 montre une analyse comparative du champ lointain simulé à une distance de 1 m du PCB dans la plage de fréquences de 30 MHz à 1 GHz. A noter que le cas de paires de différence asymétriques augmente le niveau d'émission d'environ 8 à 10 dB et entraîne également le non-respect des fréquences 563.50 MHz et supérieures.

Figure 8 : Comparaison du rayonnement de 1 m

La simulation de SIwave au niveau des PCB permet une identification précoce de ces problèmes EMI, ce qui peut aider à optimiser les PCB avant qu'ils ne soient conçus pour des tests physiques et des simulations de niveau encore plus élevé.

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