Analyse de l’intégrité de l’alimentation de votre réseau de distribution électrique

power resistor

La première fois que j’ai construit une simple carte DC pour alimenter un petit groupe de capteurs, j’ai été étonné du niveau de bruit dans mes mesures de tensions. Sans doute, l’appareil de mesure, qui valait 5000 $, que j’ai utilisé ne pouvait pas être défectueux et les fluctuations de sorties de l’alimentation électrique paraissaient plus faibles que le bruit mesuré. Alors, comment mes signaux pouvaient-ils avoir de tels problèmes de bruit ?

Je ne m’en doutais pas mais certaines mauvaises décisions concernant la conception de la simple carte DC ont créé la possibilité que du bruit s'accumule dans toute ma carte. 

L’utilisation d’un bon logiciel de conception et de simulation, ainsi que de règles de conceptions plus intelligentes, aurait permis d’économiser énormément de temps, et d’éviter des maux de tête.

Plan d’alimentation et plan de masse dans l’analyse d’intégrité de l’alimentation

Votre plan d’alimentation et votre plan de masse sont particulièrement critiques pour compléter un circuit sur votre PCB (circuit imprimé). ce qui peut être difficile compte tenu de leur envergure et de leur finesse. Cela augmente leur résistance, ce qui peut avoir deux effets.

Premièrement, l’alimentation est perdue via une chute de tension ohmique (IR Drop) du plan d’alimentation et les traces qui fournissent de l’énergie aux composants. Cela entraîne une légère chute de tension des composants en aval. De même, les boucles de masse peuvent s’écouler à travers divers composants de votre carte si, la résistance au niveau du plan de masse est assez élevée.

Les boucles de masse proviennent d’une différence de potentiel entre deux points de mise à la terre dans un plan d’alimentation. Ainsi, le courant circule en sens inverse à travers le circuit, ce qui provoquera une interférence avec les signaux se référant au plan de masse. Les fluctuations naturelles du potentiel plan de masse dues au bruit de JOHNSON, au bruit 1/f (bruit rose), aux bruits induits par les interférences électromagnétiques (EMI), aux ondulations ou à n’importe quelle variation spontanée de la tension de sortie et de la référence de masse entraînent également des fluctuations du courant de votre boucle de masse. Celles-ci se répercutent ensuite de manière inductive au reste de la carte.

Identification des problèmes d’intégrité de l’alimentation

Parce qu’un plan de masse a une résistance non nulle, il y aura, sans aucun doute, une certaine variation dans le potentiel entre un plan de masse et un plan d’alimentation. En tant que designer,  c’est aussi valable pour les fabricants, votre rôle est d’identifier ces différences potentielles et de les minimiser en utilisant des techniques de conception plus appropriées.

Vous pouvez identifier les pertes en IR et les probabilités d’une boucle de masse à l’aide d’un seul outil de simulation de réseau de distribution énergétique dans toute votre carte. Le réseau de distribution électrique comprend le plan de masse, ce qui vous permet d’identifier simultanément les chutes de tension ohmique excessives et les différences de potentiels présentes dans votre plan de masse. Un bon outil d’analyse de réseau de distribution électrique vous dévoilera le potentiel et le courant à travers votre alimentation et vos plans, ainsi que vos rails d’alimentations et toute baisse de tension par les vias.

Ce type de sortie d’un réseau de distribution électrique est principalement superposé à votre réseau à l’aide d’une carte de couleur. Ainsi, il est très facile d’identifier visuellement les paires de points pouvant présenter des différences de potentiel élevées, ce qui pourrait être source de boucle de masse. Faites attention aux vias utilisés pour les retours de signal vers votre plan d’alimentation, car ils parviennent à faire chuter plus de tensions que les traces qui y sont connectées.

En règle générale, les différences de potentiel présentes dans votre plan de masse doivent atteindre des niveaux faibles de moins de 1 mV. Une différence de potentiel aussi petite que 1 mV dans un plan de masse suffit largement à déclencher des boucles de masse interférant avec les mesures DC sensibles, bien que ce ne soit pas assez important pour provoquer une commutation involontaire dans les circuits numériques. Le bruit induit par fluctuation thermique ou dépendante de l’alimentation électrique dans le potentiel de la boucle de masse peut être réduit en utilisant un grand condensateur au niveau des sorties de l’alimentation électrique ou des connexions du plan d’alimentation avec le plan de masse de l’alimentation électrique.

PCB from a switching power supply

Règle de conception pour assurer l’intégrité de l’alimentation

Aller plus loin afin de réduire le bruit généré par les problèmes de mise à la terre et d’assurer l’intégrité de l’alimentation de votre appareil dépend, en partie, du type d’alimentation que vous utilisez. Par exemple, une alimentation à découpage génère son propre bruit RF dû aux circuits intégrés commutateurs. Les alimentations non régulées produisent une importante ondulation en plus de  la sortie d’alimentation prévue, idem pour les alimentations régulées dans un moindre mesure.

Ces variations ne sont pas entièrement résolues au niveau du PCB, même si un concepteur tente de filtrer le bruit aux fréquences d’ondulation ou de commutation RF. À tout instant, vous devez  utiliser les meilleures pratiques de conception pour protéger les traces de signaux critiques et les rails d’alimentation contre les interférences électromagnétiques, que celles-ci proviennent d’autres composants d’une carte, d’une alimentation électrique ou de l’extérieur. 

Les boucles de masse, de même qu’un phénomène appelé rebond de masse peuvent survenir pour des raisons similaires dans un circuit imprimé à cause de l’acheminement des signaux dans un plan de masse. Comme nous l’avons décrit plus haut, les vias peuvent faire chuter une importante quantité de tension quand elles sont considérées comme chemin de retour du courant vers un plan de masse.

Les vias ont une certaine inductance naturelle (généralement du niveau nH), ce qui fait que leur impédance varie avec la fréquence du signal. Les chemins de retour à la masse peuvent provoquer une discontinuité d’impédance, surtout avec les signaux analogiques et numériques à haute fréquence. Ceci provoque une réflexion du signal à différents points de passage de la carte.

Enfin, quand une commutation simultanée d’un grand nombre de signaux dans un réseau ou au niveau des composants a lieu, l’inductance mutuelle entre les vias déclenche la réinduction d’un signal sur le circuit. Cela permet d’empêcher le courant d’atteindre la masse. D’après la loi d’Ohm, cela exige que le potentiel de masse augmente près du via, ce qui pourrait conduire à une commutation involontaire dans les circuits numériques en amont. C’est l’essence même du rebond de masse, et la différence de potentiel de masse due au rebond de masse peut être identifiée au moyen d’un outil d'analyse de l'alimentation électrique.

Integrated circuits on a black PCB

 

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About the Author

Zachariah Peterson


Zachariah Peterson has an extensive technical background in academia and industry. Prior to working in the PCB industry, he taught at Portland State University. He conducted his Physics M.S. research on chemisorptive gas sensors and his Applied Physics Ph.D. research on random laser theory and stability.

His background in scientific research spans topics in nanoparticle lasers, electronic and optoelectronic semiconductor devices, environmental systems, and financial analytics. His work has been published in several peer-reviewed journals and conference proceedings, and he has written hundreds of technical blogs on PCB design for a number of companies.

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