Les interférences électromagnétiques (EMI) représentent un défi majeur pour assurer la fiabilité des circuits imprimés. Elles se manifestent sous forme d’énergie électromagnétique indésirable, perturbant le fonctionnement normal des dispositifs électroniques et pouvant même entraîner des défaillances.
Il est essentiel d’atténuer les EMI, surtout avec l’augmentation de la densité des composants électroniques, leurs hautes fréquences de fonctionnement et les normes de tolérance strictes à respecter. Cet article présente diverses méthodes pour les réduire, notamment les techniques d’agencement, les procédures de mise à la terre, le blindage, le filtrage et le placement des composants.
La maîtrise des EMI est fortement influencée par la configuration du circuit imprimé. En adoptant des stratégies d’agencement optimales, vous réduirez de façon significative les problèmes liés aux EMI. En voici quelques-unes ci-après.
Le routage des signaux est crucial dans la conception de circuits imprimés, particulièrement pour les signaux à haute vitesse. Il est essentiel de minimiser la longueur des pistes. En effet, des pistes trop longues peuvent agir comme des antennes et générer des EMI.
Pour le routage de signaux à haute fréquence, il est recommandé d’utiliser des paires différentielles, qui sont particulièrement efficaces pour éliminer le bruit de mode commun. En outre, si vous réduisez la longueur des pistes et veillez à ce qu’elles suivent un chemin direct, vous diminuerez le risque qu’elles se comportent comme des émetteurs de rayonnement. Aussi, il faut éviter de former des angles droits pouvant causer des réflexions nuisibles et amplifier les EMI. Il est préférable d’opter pour des courbes ou des angles de 45 degrés, comme l’illustre l’image 1.
Image 1 : Angles droits à éviter sur les tracés.
La disposition des couches dans un circuit imprimé influence grandement sa résistance aux EMI. Un empilage bien conçu améliore le blindage et aide à l’ajustement des impédances. Par exemple, si l’on place un plan de masse directement à côté d’une couche de signal, on crée un chemin de retour à basse inductance, ce qui diminue les risques d’EMI.
Comme configuration d’empilage, on retrouve souvent une alternance de couches de signaux et de plans de masse ou d’alimentation. En plaçant les couches de signaux à haute vitesse à proximité des plans de masse, on favorise l’atténuation des EMI tout en minimisant les interférences de signaux entre les différents canaux.
Pour minimiser les EMI, il faut que chaque piste de signal soit accompagnée d’une voie de retour spécifique de faible inductance. Pour ce faire, il faut positionner un plan de masse à proximité de la piste de signal. Une telle configuration permet au courant de retour de circuler juste en dessous de la piste de signal, réduisant ainsi la distance parcourue et minimisant la taille de la boucle, ce qui a pour effet de réduire les émissions d’ondes électromagnétiques.
Si le chemin de retour est perturbé ou interrompu, le courant peut être contraint de suivre un itinéraire plus long et moins direct. Cette déviation augmente non seulement la superficie de la boucle, mais aussi les EMI.
La mise à la terre joue un rôle crucial dans la conception des circuits imprimés, surtout en ce qui concerne la gestion des EMI. Un système de mise à la terre efficace bloque la propagation du bruit électrique et réduit la sensibilité aux interférences externes.
L’emploi d’un plan de masse continu est une méthode efficace pour minimiser les EMI. Les plans de masse agissent comme des chemins à faible impédance pour les courants de retour, tout en protégeant les circuits sensibles par un blindage contre le bruit rayonné. Dans les architectures multicouches des circuits imprimés, l’intégration de plusieurs plans de masse peut offrir un blindage supplémentaire et une réduction significative des EMI. Les plans de masse doivent rester continus et dépourvus de coupures ou de séparations, car toute discontinuité peut se traduire par des chemins de haute impédance qui accentuent le bruit.
Il existe plusieurs schémas de mise à la terre adaptés à chaque type d’application. Une technique courante est la mise à la terre à point unique, où toutes les connexions de terre convergent vers un seul emplacement. Cette méthode est particulièrement efficace pour les dispositifs basse fréquence. En revanche, pour les applications haute fréquence, il peut être préférable d’adopter une mise à la terre multipoint. Dans ce cas, les raccordements à la terre sont répartis sur plusieurs points du circuit afin de réduire les boucles inductives. De plus, il est conseillé de séparer les mises à la terre des circuits analogiques et numériques afin que le bruit généré par les composants numériques n’affecte les signaux analogiques, qui sont généralement plus sensibles. Si une telle séparation est nécessaire, il faut ensuite les relier en un point unique, idéalement proche de la source d’alimentation.
Les boucles de masse constituent une source significative d’EMI. Elles se forment lorsque plusieurs chemins de mise à la terre créent une boucle, captant ainsi des interférences et générant du bruit dans le système. Pour les éviter, il est nécessaire de centraliser toutes les connexions à un unique point de terre et d’éviter de créer plusieurs canaux susceptibles de créer une boucle. L’adoption d’une mise à la terre de type étoile, où tous les chemins de terre convergent vers un point central, est une méthode efficace pour éviter les boucles de masse.
Le blindage constitue une solution efficace pour confiner et maîtriser les émissions électromagnétiques. Cette technique est particulièrement adaptée aux environnements soumis à des niveaux élevés d’EMI ou comportant des composants sensibles.
Le blindage peut être mis en place en utilisant des enceintes conductrices ou des boîtiers métalliques qui entourent le circuit imprimé ou des éléments spécifiques (image 2). Ces boîtiers fonctionnent comme des cages de Faraday, bloquant les EMI pour qu’elles ne pénètrent ni ne sortent de l’enceinte protégée. Ils peuvent être utilisés pour blinder l’intégralité du circuit ou des zones critiques. Par exemple, la mise en place d’un blindage métallique sur les composants analogiques sensibles les protège du bruit généré par les composants numériques.
Image 2 : Protection par blindage des zones sensibles du circuit imprimé contre les EMI.
Pour fonctionner de façon optimale, les blindages doivent être raccordés à la terre. Un blindage mal relié peut fonctionner comme une antenne, aggravant ainsi les problèmes d’EMI. La connexion à la terre doit être la plus courte et directe possible pour assurer un chemin à faible impédance. Parfois, il peut s’avérer nécessaire de relier le blindage à la terre en plusieurs points afin de garantir une isolation efficace contre les EMI.
Outre les boîtiers externes, il est possible d’installer un blindage directement sur le circuit imprimé. Cette technique consiste à installer des boîtiers de blindage sur des composants spécifiques ou des zones déterminées du circuit. Ces blindages peuvent être soudés directement à la surface du circuit imprimé, offrant une solution idéale pour les conceptions de taille réduite où l’espace pour un blindage externe est restreint.
Les filtres jouent un rôle essentiel en bloquant la propagation des fréquences indésirables à travers le circuit, évitant ainsi les interférences.
Les condensateurs de découplage (image 3) sont souvent employés pour filtrer les bruits haute fréquence émis par les sources d’alimentation. En les plaçant juste à côté des broches d’alimentation des circuits intégrés, on peut efficacement acheminer le bruit haute fréquence vers la terre, réduisant ainsi sa propagation dans le circuit. Il faut choisir des condensateurs aux valeurs adaptées aux fréquences à filtrer et les installer au plus près possible des circuits intégrés à protéger.
Image 3 : Placement des condensateurs de découplage à proximité immédiate des broches d’alimentation des circuits intégrés.
Les perles en ferrite se comportent comme des composants de filtrage particulièrement efficaces en raison de leur haute impédance aux fréquences élevées, ce qui contribue à l’atténuation des EMI. Elles sont généralement placées sur les lignes électriques ou les lignes de signaux pour bloquer les bruits haute fréquence, tout en permettant le passage des signaux basse fréquence. Pour choisir ces perles, il faut évaluer leurs caractéristiques d’impédance en fonction de la fréquence pour assurer une protection optimale aux fréquences ciblées.
Pour atténuer des plages de fréquences spécifiques, il est possible d’utiliser des filtres RC (résistance-condensateur) et LC (inducteur-condensateur). Ces filtres s’avèrent utiles pour éliminer le bruit haute fréquence sur les lignes de signaux ou pour renforcer le filtrage des lignes d’alimentation, complétant l’action des condensateurs de découplage. Il est indispensable de choisir avec soin les valeurs des composants pour que le filtre élimine efficacement les fréquences indésirables sans compromettre la qualité des signaux souhaités.
Le placement des composants sur un circuit imprimé joue un rôle essentiel dans la gestion des EMI. Une organisation judicieuse des composants permet de réduire fortement les risques d’interférences et d’améliorer considérablement le fonctionnement du circuit.
Il est important de séparer les composants haute vitesse et leurs pistes des composants analogiques, fonctionnant à basse vitesse et sensibles. En effet, les signaux haute vitesse peuvent émettre un bruit important susceptible de se propager aux circuits analogiques proches en l’absence d’une isolation adéquate. En éloignant les composants à haute vitesse des circuits analogiques sensibles après les avoir regroupés respectivement, on réduit le risque d’interférences.
Le placement des composants d’alimentation, tels que les régulateurs, les inductances et les condensateurs, joue un rôle clé dans la gestion des interférences électromagnétiques. Ces composants produisent souvent un fort bruit électromagnétique, surtout dans les alimentations à découpage. Pour limiter ce bruit, il est recommandé de positionner les composants d’alimentation à proximité immédiate de l’entrée d’alimentation et à l’écart des parties du circuit particulièrement sensibles aux interférences. L’ajout de condensateurs de découplage au plus près des broches d’alimentation des circuits intégrés est également une stratégie efficace. Cette approche empêche le bruit issu de l’alimentation de se propager et de perturber les autres composants du circuit.
Les signaux d’horloge, de par leur haute fréquence et leur caractère répétitif, constituent généralement une source d’EMI. Il est donc important d’optimiser le placement des générateurs d’horloge et le routage des signaux. Pour minimiser les risques, les trajets des signaux d’horloge doivent être les plus courts possibles et éloignés des composants analogiques sensibles. Dans certains cas, l’ajout d’un blindage ou l’installation de pistes de mise à la terre adjacentes aux pistes d’horloge peut se révéler efficace pour atténuer les émissions.
Outre la simple atténuation des EMI, il est important de tenir compte de la conception en vue de la fabrication (DFM) afin que le circuit puisse être réalisé de manière efficace,
sans que la variabilité des processus de fabrication vienne modifier le comportement des circuits face aux EMI. Afin de compenser ces variations, il faut prévoir des marges de tolérance suffisantes lors de la conception, Notamment pour le placement des composants, la largeur des pistes et les dimensions de l’empilage des couches. Cette démarche garantit la constance des caractéristiques EMI des circuits pour tous les lots de production.
Le choix des matériaux constitutifs du circuit imprimé est déterminant pour les caractéristiques EMI. En effet, les matériaux à constante diélectrique élevée limitent la propagation des signaux haute fréquence. De même, il est préférable d’employer des matériaux à faible facteur de dissipation pour minimiser l’atténuation des signaux. Il est indispensable de choisir des matériaux qui constituent un juste équilibre entre le respect des exigences en matière d’EMI et la compatibilité avec les procédés de fabrication.
Le processus d’assemblage des circuits imprimés peut également influencer les caractéristiques EMI. Par exemple, les soudures à forte inductance peuvent ajouter du bruit dans le circuit. Afin de préserver l’efficacité des mesures d’atténuation des EMI définies durant la phase de conception, il est essentiel de surveiller rigoureusement le processus d’assemblage. Les soudures doivent être bien effectuées.
Après avoir appliqué des stratégies d’atténuation des EMI, il faut mener des tests et une validation rigoureux. Cette étape permet de vérifier que le circuit imprimé respecte les normes EMI spécifiées.
L’une des principales étapes du processus de validation des circuits imprimés consiste à réaliser des tests EMI au sein d’une chambre anéchoïque. Cet espace spécialement conçu pour contrôler les interférences permet d’évaluer avec précision les émissions électromagnétiques provenant du circuit. Durant ces tests, il est indispensable d’examiner à la fois les émissions rayonnées et les émissions conduites pour garantir la conformité du circuit imprimé à l’ensemble des normes EMI.
Ces tests révèlent souvent des problèmes qui nécessitent des ajustements itératifs. Les résultats peuvent amener à modifier la disposition des composants, les méthodes de mise à la terre, ou encore les méthodes de blindage. Ce processus itératif de test et d’amélioration est indispensable pour atteindre le comportement souhaité face aux EMI et s’assurer que le circuit respecte toutes les exigences.
17.12.2024