Alors que l’Internet des Objets (IdO) transforme en profondeur des secteurs tels que la consommation, la santé ou l’agriculture, la conception de circuits imprimés destinés à ces dispositifs est devenue incontournable. Les objets connectés requièrent des cartes à la fois compactes, économes en énergie et hautement performantes afin d’assurer l’exécution de fonctions spécifiques tout en respectant les contraintes environnementales.
Cependant, la réalisation de tels objectifs demeure complexe en raison de multiples contraintes : espace restreint, exigences strictes en matière d’alimentation, besoins de communication sans fil et normes rigoureuses en matière de durabilité. Dans cet article, nous examinons les principaux défis liés à la conception de circuits imprimés pour l’IdO. Nous présentons également des solutions adaptées pour y répondre.
Ci-dessous, nous avons recensé les principaux obstacles rencontrés lors de la conception de circuits imprimés pour les applications de l’IdO.
Les objets connectés se caractérisent par leur compacité, leurs dimensions étant souvent définies par les exigences des objets connectés portables, des capteurs intelligents ou d’autres systèmes embarqués. Or, cette miniaturisation (Image 1) limite l’espace disponible pour intégrer les composants, les pistes et les interconnexions. Il faut donc trouver le juste équilibre entre fonctionnalité et compacité, sans compromettre les performances ni la fiabilité.
Image 1 : Circuit imprimé compact pour une application de l’IdO (Source : RS)
Souvent alimentés par batterie, les objets connectés doivent fonctionner pendant de longues périodes sans recharges fréquentes ni de remplacements. Il est donc essentiel d’optimiser la gestion de l’alimentation. En effet, une conception inadéquate du circuit imprimé peut entraîner un gaspillage d’énergie et réduire la durée de vie de la batterie. Ainsi, il convient de choisir et d’intégrer avec soin des composants tels que les régulateurs de tension, les régulateurs à faible chute de tension et les circuits intégrés de gestion de l’alimentation.
La plupart des objets connectés intègrent des technologies de communication sans fil comme le Wi-Fi, le Bluetooth, Zigbee ou LoRa. Pour assurer leur fonctionnement, il est indispensable de concevoir des antennes optimisées, de réaliser une adaptation d’impédance adéquate et de minimiser les interférences. Il faut donc trouver le moyen de garantir une intégrité de signal robuste tout en implantant les antennes et les composants RF dans un espace très réduit.
La compacité des objets connectés favorise l’accumulation de chaleur, surtout dans des applications à hautes performances telles que l’intelligence artificielle en périphérie ou la diffusion vidéo en continu. Une gestion thermique insuffisante risque de dégrader tant les performances que la durée de vie des composants.
Évoluant dans des environnements souvent saturés de bruit électromagnétique, les objets connectés doivent préserver l’intégrité de leurs signaux en limitant les interférences. Plus les circuits imprimés sont miniaturisés, plus le risque de diaphonie et de dégradation du signal est élevé, rendant cette problématique particulièrement délicate à traiter.
Les objets connectés sont fréquemment déployés dans des environnements difficiles, exposés à l’humidité, à la poussière ou à des températures extrêmes. Les circuits imprimés doivent donc satisfaire à des critères de durabilité rigoureux, ce qui implique notamment l’emploi de revêtements conformes et de matériaux robustes.
Pour pallier les contraintes d’espace propres aux objets connectés, il est souvent nécessaire d’opter pour des circuits imprimés multicouches. L'ajout de couches permet de séparer les pistes d'alimentation de celles de signaux, d'intégrer des plans de masse qui atténuent les interférences électromagnétiques et d'installer un plus grand nombre de composants dans un espace restreint.
Cette approche permet d’atteindre une densité élevée sans nuire aux performances. Par ailleurs, les empilages de circuits imprimés avancés (Image 2) facilitent la gestion thermique et renforcent l’intégrité des signaux en isolant les circuits sensibles de ceux dédiés à l’alimentation ou aux hautes fréquences. Les conceptions multicouches actuelles favorisent également l’intégration simultanée de circuits mixtes, incluant notamment des fonctions RF, pour un fonctionnement optimal des systèmes d’IdO.
Image 2 : Empilage de circuits imprimés (Source : elecrow)
Dans le cadre de l’IdO, la majorité des dispositifs fonctionnant sur batterie, l’efficacité énergétique revêt une importance capitale dans la conception des circuits imprimés. Il est possible de réduire significativement la consommation d’énergie en intégrant des composants ultra-basse consommation et en optimisant les réseaux de distribution d’énergie. Par exemple, la technique de mise à l’échelle dynamique de la tension ajuste l’alimentation en fonction de la charge, ce qui diminue la consommation lors des périodes de faible activité,
tout comme les circuits de mise en veille et de coupure de l’alimentation. En outre, les circuits intégrés de gestion de l’alimentation équipés de fonctionnalités avancées – comme la régulation de tension, le séquençage de l’alimentation et la surveillance de l’énergie – simplifient la conception des systèmes. Ils permettent également de gagner de l’espace sur le circuit et de diminuer le nombre de composants nécessaires. Ces stratégies prolongent la durée de vie des batteries et permettent de réduire la fréquence des recharges ainsi que la puissance des alimentations.
La communication sans fil étant au cœur des objets connectés, le placement et la conception des antennes doivent être pensés avec soin si l’on veut garantir des performances optimales. Pour éviter toute interférence et assurer une puissance de signal optimale, il faut planifier de façon minutieuse l’orientation et le placement des antennes. Des techniques telles que l’utilisation de guides d’ondes coplanaires, de réseaux d’adaptation d’impédance et de blindages RF spécifiques améliorent la qualité du signal et limitent les pertes.
Par ailleurs, une mise à la terre adéquate et un découplage efficace sont essentiels pour réduire le bruit et préserver l’intégrité du signal. À ce stade, les outils de simulation jouent un rôle déterminant en permettant de modéliser les performances des antennes et d’anticiper d’éventuels problèmes d’interférences avant la réalisation des prototypes. Les simulations RF détaillées, prenant en compte la réflexion du signal et les diagrammes de rayonnement, permettent d’optimiser la conception finale afin d’améliorer la connectivité et la portée.
Image 3 : Carte embarquée compacte comprenant une antenne intégrée au circuit imprimé (Source : Techplayon)
La miniaturisation et la puissance accrue des objets connectés exigent une gestion optimale de la dissipation thermique. En effet, l’accumulation de chaleur peut nuire aux performances et raccourcir la durée de vie des composants. Pour maîtriser la température, il faut notamment avoir recours à des via thermiques, à des dissipateurs thermiques et à des plans de cuivre.
Les via thermiques facilitent, par exemple, le transfert de chaleur entre les différentes couches du circuit imprimé, éloignant ainsi la chaleur des zones sensibles. Les dissipateurs thermiques et les plans de cuivre permettent, quant à eux, de répartir uniformément la chaleur. L’emploi de composants basse consommation limite également la génération de chaleur. Enfin, les logiciels de simulation thermique permettent d’identifier les zones de surchauffe potentielles et d’optimiser la répartition des composants afin de garantir des plages de fonctionnement sûres pour des éléments sensibles comme les microcontrôleurs ou les modules RF.
Pour limiter les interférences électromagnétiques et préserver l’intégrité des signaux dans les objets connectés compacts, il est indispensable d’adopter de bonnes pratiques en matière de mise à la terre et de blindage. Les plans de masse dans les circuits imprimés multicouches stabilisent efficacement les signaux et évitent les boucles de masse, sources de bruit et de dégradation des performances.
Qu’il prenne la forme de boîtiers métalliques ou de couches spéciales, un blindage CEM efficace assure deux fonctions : protéger les composants sensibles des interférences extérieures et limiter les rayonnements émis par l’appareil lui-même. Pour les circuits à grande vitesse ou RF, on peut diminuer la susceptibilité au bruit et garantir une transmission des données sans interférences grâce à des techniques de signalisation différentielle. Pour assurer une conformité fonctionnelle et électromagnétique optimale, il faut veiller, tout au long de la conception, à la robustesse et à la cohérence du système de mise à la terre.
Dans la conception de circuits imprimés pour l’IdO, le choix des matériaux est crucial. En effet, il conditionne la durabilité, la fiabilité et les performances dans divers environnements. L’utilisation de matériaux de haute qualité permet aux circuits imprimés de résister aux contraintes mécaniques et aux variations de température, ainsi qu’à l’exposition à l’humidité et à la poussière. Dans ce cadre, les circuits imprimés souples – souvent réalisés en polyimide – sont particulièrement appréciés pour les objets connectés portables ou ceux nécessitant de s’adapter à des surfaces irrégulières.
Ces cartes souples réduisent l’encombrement tout en offrant une haute densité fonctionnelle. Par ailleurs, l’application de revêtements conformes sur le circuit imprimé offre une protection supplémentaire contre la corrosion et les contaminants, prolongeant ainsi la durée de vie du dispositif. Enfin, les matériaux présentant une faible perte tangentielle et une excellente conductivité thermique préservent l’intégrité des signaux et optimisent la gestion thermique.
Pour relever les défis posés par les objets connectés compacts, il est indispensable de se munir des outils modernes de conception de circuits imprimés. Ces logiciels disposent de fonctionnalités avancées permettant une conception efficace et un prototypage rapide. Des solutions complètes telles qu’Altium Designer, KiCad ou Cadence Allegro intègrent des modules de simulation, de vérification des règles de conception et de modélisation 3D. Grâce à ces outils, il est possible de déterminer dès les premières étapes les problèmes potentiels, qu’il s’agisse de l’intégrité des signaux, de goulets d’étranglement dans la distribution d’énergie ou de points chauds thermiques.
Les simulations d’intégrité des signaux et d’alimentation revêtent une importance particulière pour les cartes d’IdO complexes, où de nombreux signaux à haute vitesse et rails d’alimentation interagissent. Les simulations consacrées aux interactions des signaux – par exemple, l'analyse TDR, la vérification de la diaphonie et l'analyse de la chute de tension – aboutissent à une conception finale à la fois performante et fiable. De plus, les vérifications automatisées garantissent le respect des normes industrielles et réduisent ainsi les retouches onéreuses.
Placement des composants : Organisez les composants de manière stratégique afin de réduire la longueur des pistes et d’éviter les croisements de signaux. Positionnez les modules haute vitesse et RF à l’écart des circuits d’alimentation générant du bruit.
Routage des pistes : Préférez des pistes larges pour l’alimentation afin de diminuer la résistance et de préserver la qualité du signal. Évitez les courbes trop abruptes afin de minimiser les réflexions.
Empilage des couches : Dans les circuits multicouches, dédiez des couches spécifiques à l’alimentation, à la masse et aux signaux. Un empilage soigné améliore les performances en matière d’interférences électromagnétiques et simplifie le routage.
Essais et validation :Testez rigoureusement les circuits afin d’analyser l’intégrité des signaux, la gestion thermique et la conformité CEM. Le prototypage et les cycles itératifs de conception garantissent un produit final fiable.
L’évolution constante des technologies de l’IdO continue d’influencer la conception des circuits imprimés. Les circuits souples et extensibles se développent, ouvrant la voie à des applications innovantes dans la santé et les objets connectés portables. Par ailleurs, les avancées dans les semi-conducteurs (systèmes sur puce, boîtiers-systèmes, etc.) permettent d’intégrer toujours plus de fonctionnalités dans des conceptions compactes. Enfin, l’adoption de l’intelligence artificielle dans l’automatisation de la conception devrait simplifier et optimiser la création de circuits imprimés performants pour l’IdO.
La conception des circuits imprimés pour les objets connectés nécessite de trouver un juste équilibre entre miniaturisation, performance énergétique, connectivité sans fil et robustesse. Grâce aux techniques modernes – comme la conception multicouche, une gestion optimisée de l’alimentation et l’emploi de matériaux robustes – il est possible de réaliser des cartes électroniques à la fois compactes et performantes, en parfaite adéquation avec les exigences des applications de l’IdO. Par ailleurs, l’évolution technologique, avec l’arrivée de nouveaux outils et matériaux, continuera de renforcer les capacités des objets connectés et stimulera l’innovation dans tous les secteurs.
11.02.2025