Documentation

Analyse CEM

Général

En utilisant l'analyse CEM dans TARGET, vous pouvez vérifier votre PCB pendant le dessin. Ce chapitre vous donne les trucs et astuces pour dessiner un PCB optimisé avec CEM.

Introduction

Les progrès réalisés en électronique ont entraîné un accroissement du rayonnement électromagnétique dans l'environnement.

Quelles en sont les raisons?:
L'essor actuel de l'électronique, notamment dans les domaines de la communication avec par exemple les téléphones portables.
L'accumulation de toutes sortes d'appareils électriques et électroniques.
La miniaturisation dûe au perfectionnement des techniques de fabrication des semi-conducteurs modernes.
La vitesse d'exécution de l'électronique de plus en plus grande.

Ces facteurs ont entraîné avec eux une augmentation des interférences provoquées par les appareils entre eux et donc, une augmentation de leur sensibilité face à ce phénomène. Ces interférences peuvent se manifester sous forme de grésillement électromagnétique (téléphone) ou sous forme de message indésirable (traits parasites sur une télévision).
Pour permettre aux appareils de fonctionner "en harmonie" avec leur environnement, la législation européenne a établi le 01.01.1996 de nouvelles règles qui abordent le problème de la Compatibilité ElectroMagnétique (CEM).
Chaque nouvel appareil doit non seulement fonctionner sans être dérangé par l'électromagnétisme qui l'environne et il ne doit pas non plus perturber les autres appareils à proximité.
Il a donc fallu intégrer une phase supplémentaire dans la fabrication conventionnelle des appareils électroniques afin d'éviter des modifications trop coûteuses après leur fabrication. Cette phase s'appelle l'analyse CEM. TARGET 3001! dispose d'un module pour l'analyse CEM qui se base sur un certain nombre de règles afin d'aider les concepteurs à fabriquer des cartes compatibles avec les Normes de CEM et ainsi réduire les coûts de fabrication due à un mauvais routage. Cette analyse s'effectue avant le lancement de la carte en production.
L'élément constitutif le plus déterminant de la carte est la piste. Elle relie l'origine du signal à son point d'aboutissement. Sa présence a une influence décisive sur la qualité de l'isolement électromagnétique du circuit. Son but est de réaliser une parfaite transmission du signal du transmetteur jusqu'au récepteur (sans subir aucune perte ou déformation). Ce but n'est atteint que de façon approximative.
Les calculs suivants ont été pris en compte lors de la fabrication de l'outil de CEM pour reconnaître les limites de tolérance électromagnétique à ne pas dépasser par les pistes:

Calcul du couplage galvanique
Les couplages galvaniques se produisent lorsque les circuits électriques (source) utilisent la même ligne de retour. C'est surtout le cas pour les lignes de masse et les lignes d'alimentation.

Calcul du couplage inductif
Ce qui provoque le couplage inductif, c'est le changement du flux magnétique que produit le circuit électrique àl'origine des interférences dans la surface du circuit électrique qui les subit (qui constitue le point de chute). C'est la raison pour laquelle, les signaux intéressants sont ceux sur lesquels on peut voir apparaître de rapides changements de courants et notamment des courants de haute fréquence.

Calcul du couplage capacitif
Le couplage capacitif se produit entre deux circuits électriques dont les signaux sont à des potentiels différents. Les hautes fréquences ainsi que les faibles temps de transition des signaux ont une grande incidence sur ce type de couplage.

Calcul du facteur de couplage
Le facteur de couplage permet d'évaluer à la fois les couplages capacitif et inductif.

Calcul du couplage par rayonnement
Dans les circuits semi-conducteurs à horloge rapide, on constate que le couplage par rayonnement est dû presque exclusivement aux circuits fermés. Les brusques oscillations de courant relativement importantes créent des champs magnétiques dynamiques dans les lignes. Les circuits fermés agissent alors comme des antennes avec les caractéristiques d'un dipôle magnétique.
La puissance électrique et magnétique du champ perturbateur est indépendante du temps de transition, de la fréquence d'horloge, du courant du circuit fermé et de l'étendu de celui-ci.

Calcul de la longueur de piste maximale
La piste d'un signal doit respecter une certaine longueur. Les fréquences ainsi que les temps de transition tolèrent une longueur maximale précise et si celle-ci n'est pas respectée, cela provoque des perturbations (par exemple: le phénomène de réflexions d'ondes électromagnétiques). Le signal d'origine pourrait alors s'en trouver modifié, entraînant ainsi un risque d'erreur de fonctionnement ou pire encore, un risque de dégradation du système.


Utilisation de l'analyse CEM

Boîte de dialogue "Analyse CEM"

Vous pouvez faire appel à l'analyse CEM chaque fois que vous le souhaitez. Cependant, il est plus judicieux de lancer cette fonction après avoir achevé le routage de la carte.

Pour lancer l'analyse CEM:

  • Choisissez cette fonction dans le Menu Actions
  • Appuyez sur l'icône

L'analyse CEM s'effectue à partir de la boîte de dialogue suivante qui utilise un affichage sous forme d'une arborescence de type "Explorateur Windows" pour offrir une interface claire et simple.

Procédure

TARGET 3001! affiche l'arborescence de tous les réglages et attributions:

1.Editer la liste d'un signal
Dans la partie gauche de la boîte de dialogue, TARGET 3001! dresse la liste complète des pistes déjà placées. En cliquant sur , vous obtenez la liste de toutes les caractéristiques du signal.
Cliquez avec M11 sur le nom du signal pour éditer et modifier ses caractéristiques.
Il existe deux types de classifications: "Type grossier" et "Type fin".

Exemple grossier = signal digital TTL, fin = technologie HCT
Exemple de signal: D1 L'option Piste de retour sert à régler le signal de référence de l'élément perturbateur. Cette option est importante et permet le calcul des facteurs de couplage capacitif et inductif.
Remarque:
Si vous n'attribuez aucune caractéristique aux signaux, vous n'obtiendrez aucune analyse CEM efficace!

2.Editer et redéfinir des caractéristiques
Cliquez sur l'onglet "Types de signal". TARGET 3001! dresse la liste de toutes les caractéristiques existantes. Cliquez avec M11 sur une des caractéristiques pour l'éditer. Si un signal ne contient pas de caractéristique, utilisez l'icône "Nouveau" pour définir les caractéristiques propres au signal.
Choisissez ensuite un nom approprié. Après avoir nommé la caractéristique, vous devez définir son type de signal. Si vous cochez l'option "Analogique", vous devez ensuite spécifier la fréquence (données techniques). Dans le cas inverse, c'est-à-dire pour l'option "Digital", vous devez spécifier le temps de transition et la largeur d'impulsion. Les valeurs "Courant" et "Tension" sont également importantes pour les prochains calculs de CEM. Vous pouvez vous dispenser de ce point si tous les signaux possèdent déjà les caractéristiques requises.

3.Régler les options
Cliquez sur l'onglet "Options". Pour réaliser le calcul, vous devez indiquer les données techniques de la carte:

  • Type de matériel (par exemple FR4)
  • Constante diélectrique (elle est automatiquement établie par le type de matériel)
  • Epaisseur du matériel (par exemple 1,5 mm = 1500 µm)
  • Epaisseur de la couche de cuivre (par exemple 35 µm)

TARGET 3001! calcule automatiquement toutes les autres données géométriques (longueur, largeur de pistes et le nombre de couches de cuivre). L'option "Ligne de retour par défaut" permet de choisir une ligne de retour pour tout le projet.

4.Choisir des types d'analyse
Dans la liste de droite sont énumérés tous les signaux. Pour choisir ceux que vous souhaitez vérifier au niveau de l'analyse CEM, procédez de la manière suivante:
Cliquez avec M11 sur le signal à vérifier (sur l'image de gauche, le signal D1). Ce signal est utilisé comme "signal perturbateur".
L'arborescence qui vous est proposée vous donne automatiquement toutes les possibilités de calcul Cliquez avec M2 sur le signal D2 pour sélectionner tous les types d'analyse destinés au prochain calcul ou seulement celles qui entre en jeu dans votre vérification TARGET 3001! sélectionne automatiquement tous les signaux pouvant être perturbés pour effectuer le calcul du facteur de couplage ainsi que l'estimation du couplage capacitif et inductif.
En cliquant avec M11 sur le type d'analyse, vous obtenez la liste complète des signaux.

5.Effectuer le calcul
Une fois que l'élément perturbateur, l'élément perturbé et le signal de référence ont été identifiés, l'analyse CEM peut commencer. Cliquez alors sur l'icône "Calcul". Les signaux sont mis en évidence par différentes couleurs qui représentent chacune une note (de 1 à 5). Signification des différentes couleurs:

  • bleu: Note 1 (champ d'estimation : 100%)
  • vert: Note 2 (Champ d'estimation : 90% - 99%)
  • jaune: Note 3 (Champ d'estimation : 50% - 89%)
  • violet: Note 4 (Champ d'estimation : 1% - 49%)
  • rouge: Note 5 (Champ d'estimation : 0%)

De plus, les résultats de l'estimation sont directement classés dans la liste.
Vous pourrez comprendre à l'aide de la formule suivante comment on obtient le résultat en pourcentage du chiffre d'évaluation:

  • Longueur du signal (piste)
  • Pour la longueur de la ligne : Valeur en pourcentage =
  • Longueur tolérée du signal (piste)
  • Tension parasite
  • Pour toutes les autres estimations : Valeur en pourcentage =
  • Tension tolérée du signal

Le résultat du couplage par rayonnement est représenté par un graphique. Les résultats obtenus sont comparés aux valeurs limites (d'après la norme VDE 0871/B et EN55022). Pour faire apparaître cette évaluation, cliquez avec M11 sur "Couplage par rayonnement".
Les abscisses représentent les fréquences dans l'échelle logarithmique. Les deux ordonnées, à gauche et à droite se réfèrent à l'intensité électrique et magnétique du champ perturbateur.

  • La ligne rouge représente les valeurs limites qui ont été définies pour l'intensité du champ électrique.
  • La courbe de l'intensité électrique du champ perturbateur est représentée par la ligne bleue.
  • La ligne violette symbolise les valeurs limites pour l'intensité magnétique du champ perturbateur.
  • La courbe en vert indique le résultat de l'intensité magnétique du champ perturbateur du signal.

Vous obtenez un résultat optimal si les courbes obtenues sont inférieures ou égales aux limites fixées par la norme. Dans le cas contraire, des contre-mesures sont exigées, comme par exemple une réduction de la surface du circuit fermé.

En résumé:

  • Editer une liste de signaux
  • Régler les options
  • Choisir les types d'analyse
  • Lancer le calcul


Types de couplage

Calcul du facteur de couplage
En cliquant sur l'icône "Calcul", TARGET 3001! affiche dans l'arborescence les résultats suivants:

  • Résultat du facteur de couplage entre le signal perturbateur et le signal perturbé (calculé à partir des couches inductives et capacitives).
  • Résultat de la résistance ondulatoire de la structure.

Une évaluation CEM est également effectuée pour l'utilisateur. TARGET 3001! calcule un pourcentage qui vous indique s'il s'agit d'une zone CEM critique ou non.

Calcul du couplage inductif
Voici les résultats du couplage inductif entre le signal perturbateur et le signal perturbé:

  • Valeur de la contre-inductance du système de couplage.
  • Valeur de la tension perturbatrice, qui en raison du couplage inductif, est transférée du signal

perturbateur au signal perturbé.
Une évaluation CEM est également effectuée pour l'utilisateur. TARGET 3001! calcule un pourcentage qui vous indique s'il s'agit d'une zone CEM critique ou non.

Calcul du couplage capacitif
Résultats obtenus:

  • Valeur de la capacité de couplage entre l'élément perturbateur et l'élément perturbé.
  • Valeur du courant perturbateur au niveau du signal perturbé. Ce courant est provoqué par un signal

perturbateur en raison du couplage capacitif.

  • Valeur de la tension perturbatrice située au niveau de la résistance interne du signal perturbé. Cette tension est provoquée à par un courant perturbateur en sur-couplage.

Une évaluation CEM est également effectuée pour l'utilisateur. TARGET 3001! calcule un pourcentage qui vous indique s'il s'agit d'une zone CEM critique ou non.

Calcul du couplage galvanique
Résultats obtenus:

  • Valeur de la résistance en courant continu du signal (elle a une importance pour les signaux DC).
  • Valeur de l'inductance de ligne du signal.
  • Valeur de la tension perturbatrice sur le signal perturbé. Cette tension apparaît sur le signal à cause du couplage galvanique.

Calcul de la longueur tolérée de la piste
La longueur maximale est comparée avec la longueur réelle de la piste. A l'aide du résultat de l'évaluation CEM, l'utilisateur peut contrôler si des phénomènes de réflexions d'ondes électromagnétiques peuvent apparaître ou non.

Calcul du couplage par rayonnement


Comment empêcher les problèmes de CEM?

Pour garantir la compatibilité électromagnétique d'un appareil ou d'un système, il faut respecter les trois points suivants:

  • L'appareil doit être protégé contre les interférences extérieures,
  • Inversement, l'appareil ne doit pas non plus constituer une source d'interférences vers l'extérieur.
  • L'appareil ne doit pas perturber ses propres circuits.

Pour atteindre ces trois objectifs, le fabricant doit tenir compte de certaines règles. Dans les pages suivantes, nous abordons les points les plus importants ainsi que les explications qui en découlent. Si le fabricant tient parfaitement compte de ces règles, il disposera de cartes sur lesquelles l'analyse CEM n'aura rencontré aucune ou bien très peu de zones perturbatrices.


Placer des pistes de référence (masse)

Une méthode simple pour éviter le couplage galvanique est de ne pas réutiliser une partie des pistes de la même fonction en plaçant pour chaque signal des pistes de retour complètement séparées (circuit de masse en forme d'étoile). Bien que cette méthode soit efficace pour ce type de couplage, elle est en réalité peu praticable, car les cartes électroniques contiennent un nombre toujours plus croissant de pistes sur une surface de plus en plus petite, ce qui entraîne une augmentation considérable du risque de couplages capacitifs et inductifs. Il est tout à fait possible de séparer les trajets des lignes et de réduire l'impédance du couplage (méthode lourde).
Dans le cas du couplage galvanique, plus la tension perturbatrice est basse, plus l'impédance de ligne diminue et plus le courant produit ou encore la variation de courant est minime. Le courant est déterminé par la quantité nécessaire au circuit à son fonctionnement. Ce n'est donc pas une grandeur dont on peut disposer librement. Pour endiguer les problèmes de couplage, il reste la solution qui consiste à réduire l'impédance de ligne.
Pour parvenir à réduire celle-ci de façon notable, il faut recourir aux mesures suivantes:

  • Réduire la longueur des pistes afin de diminuer le volume inductif, l'impédance et l'effet de peau. Cette mesure agit dans toute la zone de fréquence.
  • Etendre la coupe transversale afin de diminuer l'impédance. Cette mesure agit notamment lorsqu'on

rencontre une tension continue et des basses fréquences.

  • Etendre la superficie de ligne afin de limiter les répercussions de l'effet de peau. Cette mesure agit lorsqu'on rencontre des hautes fréquences ou bien lors des rapides variations de courants.
  • Réduire l'étendue des circuits fermés afin de diminuer l'auto-inductance et la surface d'émission.

Les problèmes de couplage galvanique sont non seulement dus aux tensions perturbatrices élevées qui apparaissent lors des variations rapides de courant, mais aussi à l'effet de peau et à l'auto-inductance qui agissent sur l'impédance du circuit. Etant donné que l'action de la coupe transversale sur l'auto-inductance demeure faible et qu'il est difficile de réduire celle-ci sur la carte, nous ne décrirons ici que les mesures dont nous avons pu constater l'efficacité : réduction de la longueur des pistes et différenciation au niveau de leur utilisation.


Structure de piste de référence en forme d'etoile

Il ne faut pas négliger l'impédance lors du placement du potentiel de référence car dans le pire des cas, celui-ci peut afficher des valeurs différentes à divers endroits. La représentation ci-dessous illustre clairement ce cas particulier avec une structure élémentaire de masses placée en série.
Circuit à plusieurs phases dans une structure élémentaire de masses en série.
Dans un circuit présentant ce genre de structure, chaque niveau séparé ne commande que le niveau suivant qui lui-même est commandé par le niveau précédent. L'impédance Zgi de la piste qui part du point de masse de la structure en étoile située sur l'un des niveaux et qui s'étend jusqu'au système régulateur de potentiel (point A jusqu'à E avec les impédances Zki,(i+1) ) établit un couplage entre l'entrée et la sortie de ce niveau. Sans tenir compte du circuit restant, il est facile de savoir si des interférences apparaissent car le problème ne concerne que ce niveau. Sur le potentiel de référence et la masse qui se trouvent entre les niveaux i et i+1 (impédance Zki,(i+1) ), seul le courant de signal circule entre ces deux niveaux. De la même manière, seul le courant d'entrée et de sortie correspondant traverse les bornes (de masse) d'entrée et de sortie du circuit.
Les différents courants de signal font apparaître des tensions résiduelles aux bornes des impédances partielles de masse Zki,(i+1) entre les différents niveaux qui s'ajoutent à la tension UAE entre les bornes d'entrée et de sortie. Lorsque les bornes sont connectées à d'autres chemins, des interférences apparaissent car la connexion crée une boucle de masse.
Boucle de masse juxtaposée à une structure élémentaire de masse en série. Les courants de signaux retournent à la source en passant par l'impédance Zki,(i+1) correspondante et par la masse des autres chemins. C'est pourquoi, comme l'analyse de courant l'indique, tous les niveaux entrent en contact par l'intermédiaire des différents chemins.
L'image suivante représente l'assemblage de tous les niveaux du circuit parallèle formé des masses de deux circuits avec une structure de masse en série.
Boucle de masse formée de deux circuits présentant une structure de masse en série. Si on optimise le circuit de façon à ce que tout Zki deviennent nul, on obtient alors une masse avec une structure en forme d'étoile. Les connexions de masse de tous les niveaux se rejoignent au point d'intersection de l'étoile.
La structure en forme d'étoile supprime les impédances du système de compensation de potentiel entre les différents niveaux.
Etant donné que le niveau des impédances Zgi correspondantes s'élève en fonction de la longueur des lignes, il est préférable de placer des pistes aussi courtes que possible.


Tracé de ligne électrique mailée

Chaque fois qu'une structure de pistes en forme d'étoile ne donne aucun résultat effectif parce que les pistes sont trop longues, vous pouvez utiliser la méthode de maillage des lignes de masse. Il s'agit d'une méthode supplémentaire pour réduire le couplage galvanique. On peut ainsi voir comment plusieurs pistes de référence disposées parallèlement sont reliées les unes aux autres en se présentant sous la forme d'une gaufre. Elles forment ainsi plusieurs boucles de pistes fermées, liées entre elles et qui par rapport à une disposition en étoile représentent pour des signaux continus, des longueurs de pistes beaucoup plus courtes et de faibles impédances. Maillage de pistes de référence.
Lors de la confection proprement dite, il faut respecter la grandeur maximale des mailles de pistes. Un flux de courant à l'intérieur de celles-ci provoquerait en effet un rayonnement. Le rayonnement mesuré reste pourtant tellement faible qu'il ne dépasse pas le chiffre l. Si cette grandeur chute, cela fait également chuter l'émission à la puissance 2, si bien qu'avec des courants normaux, on obtient finalement aucun rayonnement notable.

Séparation des pistes de références de courant et de signal

Il existe une autre méthode pour remédier au couplage galvanique qui consiste à séparer les chemins de pistes de référence qui font partie des circuits chargés de transmettre le signal de celles qui ont un besoin croissant de courant. Il faut faire la distinction entre une:

  • Ligne de référence qui transmet le signal
  • Ligne de référence qui transmet le courant

Les lignes de référence de signal:
Ce sont des lignes pour lesquelles le potentiel de référence n'est pas surchargé en courant. On peut ranger parmi celles-ci les zones sensibles du circuit, les potentiels de référence ou encore les alimentations des amplificateurs d'entrée. Le flux de courant qui passe à travers ces lignes est de l'ordre de quelques mA.

Les lignes de référence de courant:
Ce sont celles qui peuvent transporter des courants de retour beaucoup plus élevés. Celles-ci peuvent non seulement servir d'alimentation (0 Volt) mais aussi de lignes de retour des courants de sortie. Cette introduction n'a pour but que de vous montrer la différence entre les lignes qui ont plutôt tendance à constituer une source d'interférences et les autres qui montrent une sensibilité beaucoup plus importante face à celles-ci. Si l'on réussit à répartir les lignes de référence sur ces deux groupes fonctionnellement différents, on obtient alors un système suffisamment isolé au niveau du couplage galvanique. Cette performance est particulièrement intéressante pour le routage des cartes constituées de circuits analogiques et logiques. Lorsque l'on place le potentiel de référence avec une structure en étoile, on peut constater que le potentiel de référence de la structure logique a été séparé de la structure analogique.

Ligne de courant
Ligne de signal
Exemple de partage effectué sur une carte, d'une piste de référence chargée de transmettre le courant et d'une piste de référence chargée de transmettre le signal.


Placement de lignes de signal

Pour faire une analyse CEM correcte des transmissions de signaux, il faut tenir compte de l'ensemble du circuit électrique, c'est-à-dire de la piste de signal et de sa piste de retour. A ce sujet, font partie de la transmission de signal, les lignes de signal elles-mêmes mais aussi les pistes de retour et les potentiels de référence.
Dans la structure la plus élémentaire, le courant de retour passe par le potentiel de référence et les signaux sont couplés de façon asymétrique. On retrouve cette structure dans la plupart des transmissions de signal. Avec ce genre de disposition, les courants de retour de beaucoup de signaux passent par les mêmes lignes et risque de produire un couplage galvanique.
La structure asymétrique est l'une des plus performantes pour se protéger des problèmes, mais il faut se soumettre autant que possible aux exigences suivantes:

  • Offrir aux signaux un potentiel de référence le moins perturbé possible (en utilisant la structure en étoile pour réduire le couplage galvanique)
  • Réduire l'intensité du couplage inductif en minimisant la surface du circuit fermé (ligne de signal + potentiel de référence). On obtient ce résultat lorsque:
  • le tracé de piste est court
  • la piste de signal et la piste de retour sont les plus regroupées possible (voir la figure suivante)

En respectant ces règles, on arrive à diminuer les émissions qui s'échappent de ce circuit électrique. Pour diminuer le couplage capacitif, il faut que les pistes et en particulier leur tracé parallèle soient aussi courts que possible. Les zones d'isolement qui les séparent doivent être en revanche aussi grandes que possible mauvais bon.

Remarque: Baisse du niveau d'interférences (en tant que source et point de chute) grâce à la réduction de l'étendue du circuit électrique
Lorsqu'on transfère en même temps plusieurs signaux, il faut faire en sorte que le couplage entre ces derniers soit le plus faible possible. Pour atteindre cet objectif, il faut prévoir par exemple une piste sans courant et mise à la masse entre des pistes chargées de transmettre le signal. Baisse des interférences capacitives grâce à l'insertion de pistes antiparasites. Ce type de tracé de pistes est particulièrement approprié pour isoler des cartes multicouches.


Placer des pistes d'alimentation

Il faut faire la distinction entre deux types de pistes:

  • La source continue d'alimentation
  • Le retour d'alimentation (0 Volt ; potentiel de référence commun)

Les problèmes rencontrés avec le tracé de pistes d'alimentation sont identiques à ceux qui apparaissent avec les pistes de potentiel de référence : le courant d'alimentation pour une puce électronique provoque dans la ligne d'alimentation une chute de tension qui se manifeste par une variation de la tension d'alimentation. Les interférences galvaniques concernent aussi bien les pistes sous tension que les pistes 0 Volt La ligne d'alimentation 0 Volt représente le potentiel de référence (GND). Vous devez vous assurer que l'impédance de cette ligne soit la plus faible possible en routant les pistes au plus court et le plus large possible.

Placer une pistes d'alimentation

Comme la plupart des circuits sont moins sensible aux variations de la tension d'alimentation qu'aux variations du potentiel de référence, les tensions perturbatrices de faible intensité qui surviennent sur la tension d'alimentation auront un effet moins dramatique que celles se produisant sur le potentiel de référence. Par contre, si les tensions perturbatrices venaient à dépasser un certain niveau, cela créerait de plus grandes interférences. Etant donné que les tensions perturbatrices surviennent principalement à cause des chutes de tension dans les impédances, les changements rapides de courant auront donc un effet particulièrement nuisible. Pour diminuer ces tensions perturbatrices, on adoptera les mêmes points décrits plus hauts (chapitre 9.3.1) lors de la mise en place du potentiel de référence dans le but de faire diminuer l'impédance de la ligne. L'image ci-dessous illustre clairement la mise en pratique des différents aspects décrits plus hauts.
Répartition des pistes d'alimentation avec un couplage réduit. Cette répartition n'est efficace que si les composants consommant le plus de courant sont interconnectés et que la distance qui sépare l'alimentation des différents composants est courte. Un autre moyen pour réduire les facteurs d'interférences consiste à placer des anneaux de garde connectés aux alimentations en bordure de carte.
Les mesures concernant le placement des lignes ne doivent sûrement pas avoir les mêmes conséquences avec le potentiel de référence, car on a la possibilité de d'emmagasiner le courant nécessaire grâce aux condensateurs de filtrage en s'appuyant sur le potentiel de référence.


Utilisation de condensateurs de filtrage

Entre la source d'alimentation et le potentiel de référence, on trouve au niveau de chaque circuit une capacité d'amortissement (voir image). Ce condensateur de filtrage se charge sur la source d'alimentation correspondante. Le courant ainsi emmagasiné peut en cas de besoin être diffusé et permettre ainsi à la source d'alimentation d'être maintenue stable lors d'une oscillation de la tension.
Disposition des condensateurs de filtrage. Afin que les charges puissent se diffuser suffisamment rapidement hors des condensateurs de filtrage, autrement dit afin qu'elles puissent user de leur effet d'amortissement, il faut que le circuit fermé présente une impédance aussi réduite que possible.

Ce circuit fermé comprend:

  • La longueur de tous les fils de connexion des condensateurs de filtrage
  • Les chemins internes à l'intérieur des condensateurs (couche de capacité incluse)
  • Les pistes qui s'étendent des pastilles de condensateurs jusqu'au composant consommateur de courant,
  • Les lignes internes de connexion à l'intérieur du composant
  • Elimination des facteurs d'interférences sur les lignes de connexion grâce au déplacement des points de connexion de la structure en étoile

Plus les signaux sont rapides, autrement dit plus le besoin en courant augmente rapidement, plus les condensateurs de filtrage doivent être rapprochés des broches de la source d'alimentation et du potentiel de référence. Lorsqu'il s'agit de haute fréquence, chaque millimètre de longueur de lignes a son importance. La valeur de capacité ne doit pas non plus être trop élevée, car au-dessus d'une proportion optimale, son effet devient de plus en plus réduit.


Séparation des structures analogiques et logiques

Il arrive parfois que des influences électromagnétiques indésirables surviennent sur une carte entre les structures analogiques et numériques.
En ce qui concerne le placement des lignes, il est judicieux de découpler les parties analogiques des parties logiques, c'est-à-dire de placer les pistes de signal numériques de façon à ce qu'elles ne traversent pas la structure analogique et de placer les circuits analogiques de manière adaptée sur la carte (voir image).

  • Agencement et placement de pistes non optimal
  • Agencement et placement de pistes optimal

Il est important que les structures logiques et analogiques conservent des potentiels de référence séparés (GND).


Conseils pour améliorer les qualités CEM

Il existe un grand nombre de mesures possibles pour améliorer la qualité des cartes pour la CEM. Il faut toutefois localiser les zones d'interférences (par exemple les chemins de couplage). En fonction du type d'interférences, vous pouvez entreprendre des mesures spécifiques en vous aidant des points suivants:

  • Conseils pour remédier au couplage galvanique
  • Conseils pour remédier au couplage inductif
  • Conseils pour remédier au couplage capacitif
  • Conseils pour remédier au couplage par rayonnement
  • Conseils pour remédier au facteur de couplage
  • Conseils au sujet de la longueur de ligne

Il faut tenir compte du fait qu'environ 95% de toutes les interférences résultent des types de couplages suivants:

  • Par lignes communes (couplage galvanique)
  • Par lignes voisines (couplage capacitif et inductif)
  • Par effet de champ (couplage par rayonnement)

Pour résoudre les problèmes généraux de CEM, nous proposons les mesures suivantes:

  • Réduire les interférences à leur source (par exemple raccourcir, protéger les lignes)
  • Interrompre les chemins de couplage des interférences (insérer par exemple un tôle d'antiparasitage et agrandir les isolements)
  • Protéger les points de chute perturbés (par exemple augmenter le niveau de résistance face aux

interférences, mettre en place un système contre la surtension)


Remédier au couplage galvanique

Pour réduire le couplage galvanique, les points suivants se révèlent importants:

  • La longueur des lignes doit être courte
  • Les pistes doivent avoir une grande coupe transversale, c'est à dire être plus larges
  • L'étendue de la boucle de courant doit être réduite


Réduction du couplage galvanique sur des signaux de référence (GND): Lorsque l'on place des signaux de référence, il faut faire en sorte de séparer le signal de référence de signal (besoin en courant plus faible) du signal de référence de courant (besoin en courant élevé).
On peut réduire le couplage galvanique en utilisant des cartes multicouches dont la surface de pistes de référence a été doublée de cuivre ou en utilisant le tracé de lignes réalisé par maillage (carte à double couche).
Les pistes de signaux de référence qui ont été maillées, empêchent relativement peu les pistes de signaux restantes de se disperser. Pour remédier à ce problème, il faut répartir le maillage sur les couches de cuivre inférieure et supérieure de la carte. Lorsque les dimensions des pistes sont normales, les dimensions des mailles auront alors un ordre de grandeur de quelques centimètres, de sorte qu'un rayonnement notable ne se produit qu'à 300 MHz. Selon le potentiel de référence, ces mailles peuvent avoir un effet antiparasitage.


Réduction du couplage galvanique sur des lignes d'alimentation: On constate que le couplage galvanique est réduit lorsque la coupe transversale des lignes est suffisamment importante et que la longueur de celle-ci est réduite au maximum. Quand on en a la possibilité, il est conseillé d'utiliser pour des cartes multicouches, toute une couche d'alimentation.
Si l'on constate des oscillations de sources d'alimentation sur les lignes d'alimentation, il est alors recommandé d'installer un condensateur de filtrage pour réduire ces oscillations.
De plus, il faut faire attention à ce que les pistes de retour d'alimentation (0 Volt) soient reliées au potentiel de référence (GND) en un point du partage. Lorsqu'il s'agit de diverses sources d'alimentation dotées de leurs propres broches 0 Volt, il est possible de choisir différents points de connexion sur le potentiel de référence pour chaque ligne.


Remédier au couplage inductif

Pour limiter le couplage inductif, il faut que les pistes de signal tout comme les potentiels de référence aient une surface aussi petite que possible. Pour parvenir à ce résultat, il faut que:

  • Le tracé de pistes soit court
  • La ligne de signal et la ligne de retour soient le plus regroupées possible

Les pistes doivent être également protégées, c'est-à-dire qu'il faut les antiparasiter grâce aux pistes de masse placées à côté de celles-ci.


Remédier au couplage capaciif

Pour minimiser le couplage capacitif entre les différentes pistes de signal, il faut:

  • Que la distance entre les pistes de l'élément perturbateur et de l'élément perturbé soit aussi courte que possible
  • Que leur tracé parallèle soit également le plus court possible
  • Que les zones d'isolement entre elles soient aussi grandes que possible

Dans le cas de lignes de signal parallèles reposant sur une couche, on peut réduire la surface en utilisant despistes voisines en tant que pistes de retour de signal. Les pistes de retour devraient ainsi s'étendre sans différence de potentiel.
Les pistes doivent être également protégées, c'est-à-dire qu'il faut les antiparasiter grâce aux pistes de masse placées à côté de celles-ci.


Limiter le couplage par rayonnement

Pour réduire le rayonnement d'un signal, la surface de la boucle du signal (surface entre le signal perturbateur et le signal de référence (GND) ) doit être aussi réduite que possible. Cela signifie que la piste de retour doit se trouver à côté de la ligne de signal perturbée.
Si on ne peut réduire qu'une partie seulement de la surface de la boucle, il est toujours possible de limiter le rayonnement par antiparasitage.
Les pistes perturbatrices sont isolées grâce à des cavaliers incorporés, des cloisons ou des parois séparatrices (Aluminium ou Cuivre de 0,5 à 1mm). Sur les cartes multicouches, toutes les couches de signal de référence peuvent être utilisées comme écran.


Réduire le facteur de couplage

A côté du couplage inductif et capacitif, le facteur de couplage implique également la résistance ondulatoire.
Pour savoir comment réduire le facteur de couplage, reportez-vous aux chapitres:

  • Conseils pour remédier au couplage inductif
  • Conseils pour remédier au couplage capacitif
  • Conseils au sujet de la longueur de piste

En principe:
Plus les pistes entre l'élément perturbateur et l'élément perturbé sont longues, plus leur tracé parallèle est grand et plus ces zones auront tendance à se perturber fréquemment.


Déterminer la longueur de piste

Une piste doit être homogène sur toute sa longueur et ne doit donc présenter aucun angle incongru, aucune dérivation, aucune pliure.
Dans la plupart des cas, il est relativement difficile d'obtenir un résultat parfait.
Toutefois, il est recommandé de tenir compte des points suivants:

  • La piste doit être aussi courte que possible
  • Les pistes ne doivent pas présenter d'angles de plus de 45°
  • Les piste doivent autant que possible rester sur la même couche (éviter les vias)
  • Les pistes qui ne peuvent être raccourcies et qui sont plus longues que la valeur donnée de l'analyse

CEM, doivent être fermées avec la résistance ondulatoire pour subir le moins possible le phénomène de réflexion

  • Eviter autant que possible les connexions en T, et privilégier en revanche le tracé en forme d'étoile
  • Laisser suffisamment de place entre les pistes logiques et analogiques et placer des lignes-écrans

(GND)


Les condensateurs de filtrage et antiparasites

Sur les lignes d'alimentation et de masse, des changements rapides de courant peuvent survenir, provoquant une nouvelle fois, des tensions perturbatrices à cause de leurs inductances. Plus la ligne est longue et le changement de courant important et rapide, plus cette tension est grande.
Pour éviter ce genre de perturbations sur les lignes d'alimentation et de masse, il faut utiliser des condensateurs antiparasites (condensateurs en céramique). Ils agissent comme un réservoir, au moment où le courant a atteint son niveau le plus élevé et emmagasinent celui-ci de sorte qu'ils sont tenus éloignés de la prochaine transmission. Pour réduire l'inductance de ligne, il faut placer les condensateurs antiparasites le plus près possible des circuits intégrés (ordre de grandeur de 1 à 10nF). Chaque condensateur doit pouvoir être utilisé pour 1 à 4 circuits intégrés. En outre, des condensateurs de filtrage de l'ordre de 10µF sont placés en pratique au niveau des sorties des régulateurs de tension. Une carte doit être munie à chaque entrée d'alimentation, d'un condensateur de filtrage de l'ordre de 1µF. Des condensateurs de filtrage de 0,1µF doivent être placés sur la piste avec un espace de 5 cm entre eux.
En disposant les pistes d'alimentation de façon ingénieuse, on peut parvenir à minimiser un peu plus les perturbations (se rapporter aux conseils pour remédier au couplage galvanique). Les valeurs de capacité des condensateurs antiparasites et de filtrage indiquées ci-dessous sont couramment utilisées:

  • Pour signaux rapides ( f > 80MHz ; temps de transition < 5ns : 1000pF)
  • Pour signaux moyennement rapides ( f = 10 à 80MHz ; temps de transition = 5 à 40ns : 10nF)
  • Pour signaux lents ( f < 10MHz ; temps de transition < 40ns): 33nF à 0,1µF)