[PDF] Les techniques de tracé et de routage des cartes électroniques

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Les techniques de tracé et de routage des cartes

électroniques

Philippe DUNAND

2

Captronic Grenoble - 12 septembre 2013

© - Copyright Bureau VeritasCEM - Définition►

Compatibilité ElectroMagnétique :

Capacité d"un dispositif, équipement ou système, à fonctionner de manière satisfaisante

dans son environnement électromagnétique, sans introduire de perturbations électromagnétiques intolérables pour quoi que ce soit dans cet environnement

Emission

Immunité

E.C E.R S.C S.R 3

Captronic Grenoble - 12 septembre 2013

© - Copyright Bureau VeritasChamps d"action de la CEMPhénomènes physiquesGamme de fréquence

Foudre

Décharges électrostatiques

Ondes électromagnétiques

Domaines

d"applications

Télécoms

Spatial et Militaire

Avionique

Automobile

Industrie

Le champ d"action de la CEM est vaste :

De quelques Hz à quelques dizaines de GHz

Des normes existent qui prennent en compte l"ensemble de ces trois points dans tous les environnements intégrant de l"électronique.

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Captronic Grenoble - 12 septembre 2013

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Automobile

Secteurs de l"industrie

Grand public

Industrie

Médical

Télécommunication

Ferroviaire.

Aéronautique

Spatial

Militaire

Marine

Cahier des Charges

Essais CEM

Cahier des charges

Essais CEM

Règlementation

Marquage

Essais CEM

Réglementation

Marquage CE

Essais CEM

Quelles contraintes CEM ?

5

Captronic Grenoble - 12 septembre 2013

© - Copyright Bureau VeritasPrincipe des essais CEM E.S.T

EmissionsImmunité

Conduction

Rayonnement

Récepteur

Générateur

A

RSILCDN

GénérateurRécepteur

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Captronic Grenoble - 12 septembre 2013

© - Copyright Bureau VeritasLes unités utilisées en CEM►

La tension ou ddp Volt

Le courant Ampère

La puissance Watt

Le temps Seconde

La fréquence Hertz

Loi d"Ohm :

Puissance :

22T
0

RIRVWattdtIUT1ampèreIOhmsZVoltU

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© - Copyright Bureau VeritasRelation Temps / Fréquence

10 %90 %

t

Tm = 2,2 . t

- 3 dB f Fc

Fc = 1 / 2 . p. t

Fc = 0,35 / TmTm = 0,35 / Fc

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© - Copyright Bureau VeritasMode Différentiel / Mode Commun►

Mode différentielLe courant de Mode Différentiel se propage sur l"un des conducteurs, passe à travers l"équipement et revient par un autre conducteur.

La tension de Mode Différentiel se mesure directement entre les conducteurs actifs

Mode communLe courant de Mode Commun se propage sur tous les conducteurs dans le même sens et revient par la masse.

La tension de Mode Commun se mesure entre les conducteurs actifs et la masse environnante.

IMDIMD

UMD

IMCIMC

UMC 9

Captronic Grenoble - 12 septembre 2013

© - Copyright Bureau VeritasNature des sources de perturbations rayonnées ►

Les circuits électriques, lorsqu"ils

sont soumis à des différences de potentiel et ou parcourus par des courants, produisent des champs

électromagnétiques dans l"espace.

Leurs intensités dépendent de la

nature, la fréquence et la distance par rapport à la source.

Le champ électriques"exprime en

V/m. Son émission est produite par

un circuit électrique à haute impédance soumis à une différence de potentiel élevée V.

Le champ magnétiques"exprime en

A/m. Son émission est engendré par

un circuit basse impédance parcouru par un courant I.

Emission en champ électrique

Emission en Champ magnétique

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© - Copyright Bureau VeritasCouplages►

Impédance commune

Carte à châssis

Diaphonie

Champ à boucle

Champ à câble

Z I ext U I MC I MC

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Composants et CEM

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© - Copyright Bureau VeritasImpédance d"un condensateur

C ESR ESL

C = 10 nF

ESR = 0,1 Ω

ESL = 6 nH

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Impédance d"une self

L = 1 mHCp = 10 pFEPR = 10 kΩ

L Cp EPR 14

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© - Copyright Bureau VeritasDétection d"enveloppe des composants

Offset continuSignal BF

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© - Copyright Bureau VeritasComportement d"un ampli OP en fonction de la fréquenceBFHF

Amplification

Limitation par

slew rate

Détection

d"enveloppe 16

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Marge de bruit à l"état hautMarge de bruit à l"état bas Vdd Gnd

Marge de bruit des circuits logiques

Vo Vi

Indéfini

VOHminVOLmax

VIHminVILmax

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Masses et alimentations d"un système

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© - Copyright Bureau VeritasCouplage par impédance commune Z U U+Up Iext

Up = Z . (Iext+Ialim)

Ialim 19

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© - Copyright Bureau VeritasImpédance d"un plan de masse

Impédance par carré

d"un plan de cuivre en mΩ

0,1110

100 kHz 1 MHz 10 MHz 100 MHz 1 GHz10 kHz

µmmΩe17,2R=

MhzmΩF0,37R´=

e =35 µm 20

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© - Copyright Bureau VeritasEffet d"une fente dans un plan de masse

Rayonnement en champ magnétique

Self équivalente : 1 nH/cm

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© - Copyright Bureau VeritasRésistance d"une piste de circuit imprimé 22

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Intensité maximale admissible

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© - Copyright Bureau VeritasImpédance d"une piste de circuit imprimé►

Résistance (e = 35 µm)

Self

L ≈10 nH / cm

D (mm)

L (mm)DL0,5R

mΩ

Impédance en Ω

0,1110100

1 kHz 10 kHz 100 kHz 1 MHz 10MHz

L = 10 cm ; w = 0,15 mm

L = 10 cm ; w = 0,3 mm

100MHz

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© - Copyright Bureau VeritasImpédance d"un connecteur

Broches de masse

L"impédance d"un connecteur est donnée par :La résistance de chaque broche.

La self d"une broche avoisine 20 nH

Prendre en compte la self de la fente soit environ 1 nH/cm

Fente dans le connecteur

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© - Copyright Bureau VeritasBruit d"alimentation sur une carte

Alimentation

50 mA / 5 ns

Longueur totale de la piste d"alimentation : 5 cm

∆t∆ILUboitier´= 9--3 9

5.1050.1010.105Uboitier´´=

Uboitier = 500 mV

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Alimentation par piste :Longueur minimale entre le boitier et le condensateur de découplage Alimentation par plans :Connexion directe des boitiers et des condensateurs aux plans

Découplage des boitiers

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Mise en parallèle de condensateurs de découplage

Fonction

À découpler

10 nF100 μF

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Modèle plus réaliste d"un circuit imprimé multicouche. La capacité entre les deux plans de l"alimentation est de 3.5 nF. La résistance de 50 Ohms présente la charge DC des composants actifs du circuit.

5 capacités de découplage sont utilisées dans ce modèle.

Une capacité 'bulk" de 1 µF, et 4 capacités locales de ayant chacune une valeur différente et une inductance de connexion propre. Une résistance série typique de 0.05 Ohms a aussi été ajoutée à chaque capacité de découplage.Modèle de l"impédance globale de la carte

3,5 nF 100 μF 10 nF 47 nF 100 nF

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Découplage d"une carte mulicouche

3,5 nF 100 μF 10 nF 47 nF 100 nF

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© - Copyright Bureau VeritasDistribution des alimentations d"une carte analogique Alimentation en étoileForte impédance commune entre les différents étages de traitement Grande surface de boucle entre les conducteurs d"alimentation et les signaux Chaînage des alimentationsMaîtrise de la circulation des courants Alimentation du " propre » à partir du " sale » 31

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© - Copyright Bureau VeritasPrincipe d"alimentation d"une carte numérique TopologieInterconnexion de tous les circuits actifs de la carte Nécessité d"une équipotentialité globale Maillage des alimentationsMaillage de la masse ET des alimentations Préférer la solution d"une alimentation par plan 32

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© - Copyright Bureau VeritasAlimentation d"une carte numérique

AlimentationAlimentation par plan

Possibilité de mettre plusieurs alimentations dans le même plan

MassePlan de masse unique

Pas de pistes ni de fentes dans la plan de massec

5 V 3,3 V 33

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© - Copyright Bureau VeritasGestion des masses - Carte mixte► Placement des composantsSéparation des parties analogiques et numériques Placer si possible la zone analogique sur un côté de la carte Placer les connecteurs d"alimentation dans la zone " sale » Gestion des massesUtiliser un plan de masse UNIQUEanalogique / numérique

Eviter toute mise en oeuvre introduisant une séparation des masses ou des fentes dans la plan de masse

AnalogiqueNumérique

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© - Copyright Bureau VeritasRépartition des couches►

4 couchesThéorique

Pratique

6 couchesOptimum avec peu de pistes

Solution pratique

Signal X

Alim Masse

Signal YAlimSignal XSignal YMasse

Signal X

Masse Alim

Signal Y

Masse

Signal XSignal XSignal YAlimMasseSignal XSignal Y

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Pistes Sensibles

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© - Copyright Bureau VeritasCouplage capacitif Carte / Environnement Imc

Couplage capacitif par effet de main qui se manifeste par :Augmentation du bruit sur les cartes par approche de la main

Diminution du bruit en raccordant par exemple la masse d"une sonde de scope 37

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© - Copyright Bureau VeritasMasse électronique et Masse mécanique► Réduction des capacités parasites :Identification des pistes sensibles Maîtrise du placement et routage des zones sensibles Raccordement du 0 V au châssisAnalogiqueNumérique

Raccordement aux coins de la carte

Raccordement intermédiaire si la distance entre points > 10 cm

Raccordement de part et d"autre des connecteurs

Raccordement au niveau de la zone chaude (émission)

Attention aux raccordements côté analogique

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© - Copyright Bureau VeritasCapacité parasite d"une carte►

Capacité parasite d"une carte :Capacité d"un condensateur plan lorsque la carte est proche de son environnement

Capacité intrinsèque du disque équivalent lorsque la carte est éloigné des structures conductrices environnantes

cmcm 2 pFhS8,85.10C 2 cmpFD0,35C´

S : surface de la carte - h : hauteur entre la carte et l"environnement - D : Diamètre équivalent de la carte

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© - Copyright Bureau VeritasCapacité parasite des pistes

Surfaces équivalentes des pistes

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© - Copyright Bureau VeritasRemplissage de masse

Remplir des couches externes de masse en fin de routage :Réduction " automatique » de la surface des pistes sensibles

Contribution à l"équipotentialité des la carte 41

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© - Copyright Bureau VeritasDiaphonie piste à piste U 42

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Capacité de couplage C

12 - Configuration microstrip w/h = 2w/h = 1w/h = 0,5w/h = 0,2w/h = 0,1 d w h C 12 C 2 43

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Capacité de couplage C

12 - Configuration stripline

w/h = 2w/h = 1w/h = 0,5w/h = 0,2w/h = 0,1 d w hC 12 C 2

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