Empêcher la formation de boucles de masse dans la conception de vos PCB

September 29, 2019 Altium Designer

Proper signal trace routing can prevent ground loops

Je crois qu'on est tous passés par là. Vous achetez cette superbe chaîne stéréo et vous entendez ce bourdonnement habituel en arrière-plan. Lorsque vous la rapportez au magasin, le vendeur accuse le fabricant. Le fabricant de stéréo accuse alors le fabricant des composants et le fabricant des composants ne peut accuser personne. En réalité, les boucles de masse qui se forment en raison d'une mauvaise conception sont à l'origine du problème.

Les boucles de masse génèrent du bruit dans les circuits électriques. Des courants importants peuvent exister dans les plans de masse, et une différence de tension entre les connexions de masse provoque la formation d'une boucle de masse. Les sonneries ou les bourdonnements dans certains systèmes audio ne sont qu'une manifestation parmi d'autres du bruit de la boucle de masse. 

Pourquoi le routage de la masse importe-t-il de toute façon ?

Si vous vous souvenez de votre cours d'électronique de base, vous savez que tous les courants électriques circulent en boucle fermée. Sur une boucle de masse de PCB, les signaux sont acheminés autour de la carte en utilisant le signal et les traces de retour proches. Au fur et à mesure que le signal atteint sa pleine puissance et traverse la carte, il tente d'induire un signal de retour dans la trace de retour la plus proche. En d'autres termes, les courbes de signal et de retour créent une boucle de courant, et l'intensité du retour induit augmente avec des plus petites surfaces de boucle.

Alors pourquoi est-ce important ? Cela signifie que si vous voulez assurer un signal de retour à la masse fiable, votre signal et les traces de retour doivent être placés aussi près que possible. Comme les traces de signal sont généralement montées en haut de la carte, il est naturel de router les traces de retour directement sous les traces de signal. Cela permet de réduire les interférences électromagnétiques en réduisant au minimum les zones de boucle de circuit avec une topologie de PCB.

Connexions du plan de masse

Plutôt que de placer les traces de signal et de retour directement l'une sur l'autre, vous pouvez placer un plan conducteur sous les traces de signal et le raccorder à la masse. En plaçant ce plan de masse sous les traces du signal, le signal de retour sera naturellement induit sous la trace du signal et votre circuit sera complet.

Lorsque le plan de masse est placé directement sous le plan contenant vos traces de signal, toutes vos traces de signal induiront leur propre trace de retour directement dans le plan de masse. Cela devrait illustrer la commodité d'utiliser un grand plan de masse pour acheminer les signaux de retour plutôt que de router les traces de retour individuellement.

Aucun plan de masse n'est un conducteur parfait ; il a une certaine résistance et une certaine inductance. Si deux traces de signaux se connectent au plan de masse en des points différents, il peut exister une petite différence de tension entre ces deux connexions. Il s'agit d'une source importante de boucles de masse de PCB dans le plan de masse. Les potentiels de boucle de masse et de retour sont généralement de l'ordre du microvolt, mais cela est suffisant pour causer des problèmes d'intégrité du signal, en particulier dans les appareils à faible courant.

 

PCB schematic and finished board

Une bonne planification peut atténuer certains problèmes potentiels de boucle de masse

Bien que le bruit dû aux boucles de masse ne puisse jamais être complètement éliminé, il peut être réduit de façon significative afin de minimiser ses effets sur l'intégrité du signal. Plutôt que de connecter les connexions de masse en différents points, il est préférable de router les traces vers une connexion de masse avec le plan de masse. Cela réduit au minimum toute différence de potentiel entre les connexions du plan de masse des traces du PCB simplement en réduisant les distances entre elles.

Le retour à la masse vers l'alimentation électrique doit également être relié à un plan de masse en un seul point. Lorsqu'un plan de masse n'est raccordé à l'alimentation électrique qu'en un seul point, l'ensemble du plan de masse est maintenu à peu près au même potentiel. Si le plan de masse est raccordé au retour de l'alimentation en plusieurs points, des boucles de masse peuvent se former en raison de la différence de tension entre ces connexions. L'utilisation d'une connexion à la masse, unique et appropriée, élimine ces boucles.

La bonne topologie

Malheureusement, seules des conceptions plus simples avec une faible interconnectivité des composants permettront de placer un plan de masse qui s'étend sous chaque trace de signal. Pour les appareils à basse fréquence, il est généralement judicieux de placer un plan de masse en dessous des traces de signal. Garder la zone délimitée par vos traces de signal et faire que le plan de masse reste de petit taille permet également de réduire la susceptibilité aux interférences électromagnétiques externes.

Il n'est peut-être même pas souhaitable de placer le grand plan de masse sous chaque composant dans les applications à haute fréquence. Par exemple, dans les circuits à signaux mixtes à haute fréquence pilotés par des oscillateurs à quartz, placer un plan de masse directement en dessous de l'horloge du signal crée une antenne à plaque à alimentation centrale. Cela exacerbera en fait les problèmes d'interférences électromagnétiques, et l'intégrité du signal est susceptible d'être dégradé sans un blindage important.

Si vous choisissez d'utiliser plusieurs plans de masse, les boucles de masse peuvent être évitées entre les plans de masse en utilisant la topologie appropriée. Plutôt que de connecter les plans de masse dans une topologie en anneau ou en guirlande, les plans de masse peuvent être connectés à la masse de l'alimentation électrique selon une topologie en étoile. La connexion en guirlande de vos plans de masse peut créer des boucles de masse entre les plans de masse. Une topologie en étoile relie chaque plan directement à l'alimentation électrique et élimine les boucles entre les plans de masse.

 

Metallic spheres connected in a start-type-shape

Utiliser une topologie en étoile pour connecter plusieurs plans de masse

Lorsque plusieurs plans de masse sont utilisés dans votre conception, prenez soin d'éviter les traces de routage sur plusieurs plans de masse. Les traces ne doivent être routées qu'au-dessus de leur propre plan de masse. Ceci est particulièrement important dans la conception de signaux mixtes. Par exemple, si un signal numérique est routé sur un plan de masse analogique, un couplage du bruit peut se produire entre les signaux numérique et analogique. Cela va à l'encontre de l'objectif de la topologie en étoile.

L'outil PDN Analyzer™ dans Altium Designer® vous permet d'optimiser votre conception afin de minimiser les problèmes d'intégrité du signal. De plus, l'interface de conception 3D PCB peut certainement vous aider à visualiser vos conceptions. Pour en savoir plus, consultez un expert d'Altium dès aujourd'hui.

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