Le placement des composants sur vos PCB : pourquoi est-ce si important ?

Le placement des composants sur vos PCB : pourquoi est-ce si important ?

En basse fréquence, la disposition des composants électroniques sur le circuit imprimé peut être réalisée avec beaucoup de liberté et de facilité. Les seuls points critiques à surveiller sont la conception finale et la dissipation thermique. En haute fréquence, cependant, leur emplacement est d'une importance fondamentale et un positionnement incorrect, même s'il est électriquement valide, compromettrait le fonctionnement de l'ensemble du système.

Le positionnement des composants électroniques sur le PCB est la partie fondamentale de tout projet. De nombreux ingénieurs cherchent souvent à contourner cette phase s'y attardant, peut-être, après avoir résolu d'autres problèmes. 
 
En haute fréquence, le besoin d'un bon positionnement est plus important, car il est important d'optimiser les trajets des signaux et d'améliorer le fonctionnement du circuit. Aujourd'hui, le meilleur placement des composants sur une carte n'est plus seulement le résultat de règles théoriques strictes de l'électronique. Il est grandement facilité grâce un logiciel puissant qui permet aux concepteurs de créer des circuits électroniques très sophistiqués. 
Les règles plus générales devraient concerner la réduction de la longueur des chemins critiques, la séparation physique entre les circuits de puissance et de commande, et la distinction des parties analogiques des parties numériques.  
Une disposition soignée contribue à une augmentation de l'efficacité du circuit, réduisant également sa taille physique. 

Positionnement des composants haute fréquence 

Lorsque les signaux électriques dépassent la fréquence de 1 MHz, le système peut devenir critique, particulièrement en ce qui concerne le positionnement des composants électriques et électroniques, notamment capacitifs et inductifs. Les composants, même lorsqu'ils sont connectés électriquement les uns aux autres, se comportent différemment selon leur disposition, la forme et la taille de la connexion électrique. Parfois, il suffit de déplacer un condensateur ou une inductance de quelques centimètres pour changer totalement le comportement du circuit électronique. C'est le cas des émetteurs et récepteurs radio, des amplificateurs HF et d'autres équipements fonctionnant avec des fréquences élevées. N'oubliez pas que lorsque ces derniers sont de l'ordre du Mhz, les signaux quittent les circuits électriques et se propagent dans l'espace environnant. Même une très petite variation du câblage et des connexions affecte (de manière positive ou négative) le fonctionnement de l'appareil.  

L’image 1 montre cette sensibilité à travers un petit circuit électrique haute fréquence. Dans ces types de circuits et de solutions en particulier, les points de mise à la terre doivent être placés à proximité des composants, afin d'éviter la formation de longues lignes de signaux qui pourraient compromettre le bon fonctionnement du système HF. Les bornes des composants électroniques ne doivent pas être très éloignées les unes des autres, en particulier dans les points de masse, car des auto-oscillations indésirables pourraient facilement se produire. Au contraire, les composants doivent être connectés, si possible, à un seul plan de masse. 

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Image 1 : Dans les circuits haute fréquence, le plan de masse doit être très limité, en termes d'extension, et les composants qui y sont connectés doivent être aussi proches que possible les uns des autres. 

Quant aux connexions entre les éléments d'accord et d'amplification, elles doivent être très courtes, surtout si la fréquence de travail dépasse 8-10 Mhz. Dans le cas des circuits LC haute fréquence, la rotation physique d'une inductance par rapport au condensateur modifie parfois totalement l'efficacité d'un circuit, bien que la connexion électrique reste la même (voir image 2). 

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Image 2 : En haute fréquence, il ne suffit pas que les composants réactifs soient connectés électriquement, mais ils doivent être disposés ensemble correctement. 

Au moment de choisir le positionnement des résistances, il faut aussi faire très attention car elles sont constituées d’une spirale en matériau semi-conducteur qui fait office d'inducteur, alors que cela ne pose aucun problème pour les installations DC ou basse fréquence en haute fréquence. C'est un aspect à considérer avec une grande précision. 

Placement des composants pour la dissipation thermique 

L'optimisation d'un PCB et le positionnement de composants électroniques est toujours une tâche délicate et exigeante (voir image 3). La règle générale stipule que les pistes qui connectent les différents éléments (résistances, condensateurs, inductances, intégrés et autres), doivent être extrêmement courtes avec des appareils très proches les uns des autres. Cela est vrai lorsque vous travaillez principalement en haute fréquence. Cependant, minimiser la longueur des connexions pourrait créer des problèmes thermiques, provoquant une accumulation inégale de chaleur locale et provoquant des défauts inexpliqués à première vue. Dans ces cas, il est préférable d'adopter un positionnement parallèle des composants et des conduits thermiques dans le circuit. Les approches actuelles fournissent également des méthodes rapides pour déterminer un positionnement optimal des composants en obtenant, de ce fait, une distribution uniforme du flux thermique. L'avantage qui en résulte est une meilleure performance thermique de l'ensemble du système. 

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Image 3 : Les mesures des températures de fonctionnement et les simulations thermiques contribuent à un bon positionnement des composants électroniques.

Il est également utile d'aborder l'aspect extrêmement scientifique du problème, en utilisant des équations. Un modèle mathématique pour la performance de chaque composant individuel est considéré, décrivant les températures de l'air sur une carte électronique. La carte se compose d'une grille avec des éléments thermiquement actifs qui génèrent de la chaleur mais, en même temps, sont refroidis par un flux forcé d'air frais par convection. Les modèles fournissent des équations pour les températures des composants et l'air. Les modèles mathématiques linéaires donnent généralement d'excellents résultats. Le modèle utilisé permet de trouver le positionnement optimal des composants électroniques sur une carte, afin de diminuer la température générale du système, avec une augmentation des performances et de la fiabilité. Dans des conditions normales, les modèles convergent dans un seul état stable de température. L'optimisation relative vise à minimiser la température maximale de la carte. 

Placement des composants et des algorithmes génétiques 

Avec l'avènement de l'intelligence artificielle, ce secteur électronique est également largement impliqué. Il existe des implémentations d'algorithmes génétiques pour l'optimisation du positionnement des composants électroniques, notamment pour l'évaluation du degré thermique en fonctionnement (voir image 4). Initialement, ils sont placés sur une surface et refroidis par convection par un flux d'air forcé. Le modèle thermique est bidimensionnel. L'algorithme optimise donc la position et l'espacement en suivant différents critères thermiques. Dans la phase suivante, l'algorithme génétique est utilisé pour optimiser la position des composants électroniques sur un PCB suivant, cette fois, un modèle thermique tridimensionnel. Pour ce type d'optimisation, le logiciel effectue des millions de permutations et combinaisons jusqu'à ce que le meilleur arrangement soit trouvé. 

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Image 4 : Les algorithmes génétiques aident beaucoup à optimiser la position des composants sur le PCB.

Conclusion 

Il n'y a pas de meilleur positionnement des composants électroniques sur un circuit. Cela dépend de nombreux facteurs tels que la fréquence de fonctionnement, la puissance et le courant en circulation, les températures de fonctionnement souhaitées et bien d'autres. Aujourd'hui, des outils ont été développés afin de trouver un excellent positionnement des composants avec une distribution uniforme du flux thermique. Les plus sophistiqués s’aident d’algorithmes génétiques qui testent différentes combinaisons de stratégies de solution. Ce type d'approche pourrait être aussi utilisé dans une grande variété d'applications, telles que l'espace, l'automobile et les fournitures d'énergie en général.

Maurizio Paolo EmilioDe M. Di Paolo Emilio

Maurizio est titulaire d'un doctorat en physique et est ingénieur en télécommunications et journaliste. Il a travaillé sur divers projets internationaux dans le domaine de la recherche sur les ondes gravitationnelles. Il est rédacteur en chef de Power Electronics News. Il est l'auteur de plusieurs livres publiés par Springer, ainsi que de nombreuses publications scientifiques et techniques sur la conception électronique.

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