Directives de conception de circuits imprimés pour minimiser les transmissions RF

Il existe certaines directives de conception pour les PCB qui n'ont pas beaucoup de sens, et des pratiques qui semblent excessives et inutiles. Souvent, ceux-ci sont motivés par la magie noire qu'est la transmission RF. Il s'agit soit d'une conséquence malheureuse et involontaire des circuits électroniques, soit d'une caractéristique magique et utile de ceux-ci, et beaucoup de temps de conception est consacré à la réduction ou à la suppression de ces effets ou à leur réglage.

Vous vous demandez à quel point cela est important pour vos projets et si vous devez vous soucier des émissions rayonnées non intentionnelles. Sur l'échelle d'importance de Baddeley :

Lorsqu'un signal se déplace le long d'un fil, un champ électrique est créé dans l'espace qui l'entoure. S'il s'agit d'un signal CC, le champ ne change pas, donc rien d'excitant ne se passe dans le monde de la RF, tout est constant. Le courant continu pur est très rare. Les batteries peuvent le faire, à moins que vous ne fassiez une régulation de tension de commutation, mais tout ce qui est branché sur l'alimentation murale aura des ondes sinusoïdales de 50 ou 60 Hertz, qui seront ensuite rectifiées et transformées et lissées et poussées et poussées dans quelque chose comme une tension CC . En réalité (et en fonction de la qualité de l'alimentation électrique), cette alimentation ondulera et créera de petits changements dans la tension continue, créant ainsi un petit champ électrique changeant. D'autres choses, comme les oscillateurs à cristal, les lignes de signal entre les puces et les bus mémoire, ont toutes des signaux de tension changeants voyageant le long d'un fil d'un endroit à un autre. Ainsi, l'électronique est inondée de signaux et de champs électriques changeants. Ce sont ces champs électriques changeants, grâce à de nombreuses mathématiques, principalement compris par Maxwell, Faraday et Gauss, qui font que le champ électrique devient un rayonnement électromagnétique.

La fréquence du rayonnement est la fréquence à laquelle les champs électriques changent, et de nombreux facteurs ont un impact sur cela. L'un est la forme du fil le long duquel se déplace le champ électrique. Si vous avez ce qu'on appelle une paire différentielle, les champs électriques qui descendent le fil s'annulent, ce qui entraîne presque aucune transmission. Si vous avez un fil qui ne se connecte pas à l'autre extrémité, le signal peut descendre sur toute la longueur et se refléter. Si la longueur du fil est réglée de sorte que lorsqu'il réfléchit, il amplifie l'onde plutôt que de l'annuler, alors vous avez une bonne antenne. Pour en revenir à la fréquence, ce n'est jamais une onde sinusoïdale parfaite ; c'est une combinaison d'ondes de fréquences différentes. Un récepteur d'antenne a une électronique qui déconstruira ces fréquences dans une plage pour extraire un signal. Les choses modernes sont principalement FM, donc il y a une fréquence porteuse principale, et elle est légèrement modifiée avec le signal de données.

Une antenne trace est une antenne constituée d'une petite bande de fil de cuivre sur le circuit imprimé qui résonne à certaines fréquences. Cela peut être intentionnel, comme une conception d'antenne F pour les émetteurs-récepteurs 2,4 GHz, ou accidentel, comme une coulée de sol qui se traduit par une longue bande mince. Pour éviter cela, examinez attentivement vos coulées de sol pour détecter toute trace qui ne va nulle part. Soit les éliminer, soit mettre un via pour que la trace ne puisse pas résonner. Gardez votre sol aussi blobby que possible. Plus vous avez de doigts, et plus vous les tranchez, les étirez et les séparez, plus vous aurez de radiations involontaires. En règle générale, n'ayez pas de fils qui ne soient pas connectés aux deux extrémités, sauf si vous créez intentionnellement une antenne. Cela peut s'appliquer à la carte IO qui n'est pas connectée. Après tout, si rien n'est branché sur ce connecteur IO, c'est juste une trace qui ne mène nulle part. Si votre microcontrôleur est assez intelligent pour détecter quand un câble est débranché, n'envoyez aucun signal sur ce fil. Attachez tous vos E/S inutilisés à la terre.

Une trace proche du bord de la carte et plus éloignée d'une couche de plan de masse rayonnera davantage d'interférences électromagnétiques. L'assemblage des vias fait référence à la mise en place d'un anneau de vias attaché au plan de masse tout autour du bord du PCB (ou autant que possible). Vous pouvez également aligner les côtés d'une trace de signal avec des vias pour réduire les EMI de la trace. De plus, une bonne dose de vias doit connecter la masse au plan de masse (si vous avez une couche de masse séparée sur une carte à 4 couches, ou si votre carte à 2 couches est principalement mise à la terre en bas). Cela évite les antennes accidentelles et garantit également que tout le sol reste au même potentiel tout le temps.

Les fiches techniques des microcontrôleurs et des régulateurs de puissance ont des condensateurs de découplage ou de dérivation connectés aux broches d'alimentation. Ces puces n'utilisent pas constamment la même quantité d'énergie ; ils varient légèrement au fur et à mesure que la puce fait son travail, nécessitant parfois une brève augmentation de puissance. Cela ressemblerait à un signal changeant rapidement au niveau des broches d'alimentation. Le but du capuchon de découplage est d'avoir un petit réservoir de puissance juste à côté de ces broches d'alimentation afin que lorsque la puce fluctue énormément et rapidement, le condensateur puisse lisser ces demandes de puissance sans propager ce changement rapide sur toutes les traces de puissance. La perle de ferrite est généralement utilisée lors de la connexion d'une alimentation à découpage au plan d'alimentation, car elle isole le bruit de l'alimentation, elle est donc placée (avec un condensateur de découplage) à côté de la sortie de l'alimentation.

Pourquoi feriez-vous un fil plus long que nécessaire ? Il faut parfois forcer une trace pour emprunter un chemin assez détourné (heehee) pour passer d'un contact à un autre. Cette règle consiste davantage à hiérarchiser les itinéraires qui deviennent plus courts et ceux qui peuvent être plus longs. En général, plus le signal voyage rapidement sur le fil, plus la priorité est élevée et plus la longueur de trace idéale est courte. Le cristal doit être aussi proche que possible du microcontrôleur, les fils passant directement entre les deux. Chaque millimètre supplémentaire est un champ électrique plus changeant et plus d'émissions. Un UART peut avoir des fils beaucoup plus longs car le signal ne change pas aussi vite et les rails de tension positifs peuvent serpenter partout. C'est également une bonne pratique car des signaux plus rapides signifient que vous voulez moins de distance entre les composants pour minimiser la latence, mais la prévention RF est également importante.

Parce que votre PCB va avoir des connexions par câble, ou des connexions carte à carte, ou des connexions puce à puce, chacune éventuellement avec de longues traces, vous pouvez ajouter un filtrage aux traces pour réduire leur bruit en mettant des résistances en série et un condensateur de dérivation à la terre aussi près que possible de la source de bruit (généralement le microcontrôleur).

Ceux-ci sont super bruyants, et moins ils sont chers, plus les raccourcis sont empruntés. Non seulement ils émettront un rayonnement RF à des harmoniques de 50/60 Hz, mais l'alimentation à découpage, qui fonctionne généralement à des fréquences de l'ordre de centaines de KHz, est également responsable d'une bonne partie du bruit. Ensuite, la sortie peut ne pas être très stable, ce qui fait que beaucoup de bruit circule le long du fil et rayonne, jusqu'à ce qu'il atteigne votre projet, qui fonctionnera alors avec une puissance bruyante. Sans parler des problèmes de sécurité des alimentations bon marché.

Une chose qui ne fait pas de différence, ce sont les angles dans les traces. Il s'avère que même au-delà des vitesses de 1 GHz, les angles de 90 degrés dans les traces n'ont pas de différences mesurables par rapport aux autres angles dans les EMI rayonnées.

Si vous souhaitez une note d'application plus approfondie sur la disposition des PCB pour réduire les émissions, consultez le livre blanc de TI sur le sujet. Consultez également notre guide sur la préparation de votre produit pour la FCC.