Toujours découragé par les interférences de signal, la mauvaise dissipation de la chaleur et le routage désordonné lors de la conception de circuits imprimés ? En fait, tant que vous maîtrisez les techniques de base, vous pouvez facilement gérer tous les types de défis de conception ! Aujourd'hui, nous avons compilé 9 méthodes de conception de circuits imprimés hybrides super pratiques, du placement des composants au blindage de la couche inférieure, le tout regorgeant d'informations pratiques et sans fioritures, permettant aux débutants de se lancer rapidement !

I. Placement des composants : Suivez les « règles » pour placer correctement les composants et éviter les détours

Un placement incorrect des composants rendra tout routage ultérieur inutile ! Lors de la disposition des composants, vous devez non seulement suivre les chemins de signal dans le schéma et laisser suffisamment d'espace pour les pistes, mais vous devez également vous souvenir de ces 5 principes :

• Les alimentations doivent être regroupées de manière compacte, avec des conceptions de découplage pour assurer une alimentation stable ;
• Les condensateurs de découplage doivent être placés près des composants pour raccourcir les boucles de courant et réduire le bruit ;
• Les connecteurs doivent être placés directement au bord de la carte pour une connexion facile des appareils externes sans occuper de zone centrale ;
• Les composants haute fréquence doivent être placés strictement selon le flux du schéma pour éviter la corruption du signal ;
• Les processeurs, les générateurs d'horloge, les grands dispositifs de stockage et autres « composants centraux » doivent être placés au centre de la carte pour faciliter la connexion aux circuits environnants.

II. Modules analogiques + numériques : Disposition séparée, pas d'interférence
Les signaux analogiques et numériques sont souvent en conflit ; le partage de zones peut facilement entraîner des interférences mutuelles, entraînant de mauvaises performances du circuit ! L'approche correcte consiste à séparer complètement les deux. Les points clés sont ici :

• Placez les composants de précision (tels que les amplificateurs et les sources de tension de référence) sur le plan analogique et dédiez le plan numérique au contrôle logique, aux blocs de synchronisation et à d'autres « composants à bruit élevé » ;
• Les CAN (Convertisseurs Analogique-Numérique) et les CNA (Convertisseurs Numérique-Analogique) traitent les signaux mixtes, il est donc plus fiable de les traiter comme des composants analogiques ;
• Les conceptions de CAN/CNA à courant élevé doivent avoir des alimentations analogiques et numériques séparées (DVDD connecté à la section numérique, AVCC connecté à la section analogique) ;
• Les microprocesseurs et les microcontrôleurs génèrent une chaleur importante, de sorte que leur placement au centre de la carte de circuit imprimé et à proximité des blocs de circuits connectés entraînera une dissipation thermique plus efficace.

III. Routage : Prenez le chemin le plus court et le plus droit, évitez ces pièges

Une fois les composants en place, le routage consiste à « construire des canaux de signal ». Rappelez-vous ces 8 principes pour une transmission de signal plus fluide :

• Plus le chemin du signal est court et droit, mieux c'est, ce qui réduit le délai et les interférences ;
• Un plan de masse doit être placé à côté des couches de signal à grande vitesse pour assurer le retour normal du signal ;
• Les circuits à grande vitesse doivent être routés strictement selon le chemin du signal du schéma et ne peuvent pas être modifiés arbitrairement ;
• Utilisez des pistes d'alimentation courtes, droites et larges pour réduire l'inductance ;
• Évitez de transformer les pistes et les vias en « formes d'antenne » pour éviter des interférences supplémentaires ;
• Gardez les pistes de circuits numériques et analogiques isolées, sans croisement ni chevauchement ;
• Portez une attention particulière aux pistes de mise à la terre reliant les zones numériques et analogiques ;
• Évitez les détours et les vias inutiles tout au long du processus, simplifiant le chemin tout en réduisant la perte de signal.

IV. Module d'alimentation : Alimentation de proximité + conception d'isolation – La stabilité est essentielle

L'alimentation est le « cœur » du circuit ; une disposition incorrecte peut facilement entraîner une défaillance globale. Il y a deux points clés :

• Le module d'alimentation doit être proche des composants d'alimentation tout en étant isolé des autres circuits pour éviter la propagation du bruit ;
• Pour les appareils complexes avec plusieurs broches d'alimentation, utilisez des modules d'alimentation dédiés pour les sections analogiques et numériques afin d'éliminer complètement les interférences de bruit numérique avec les signaux analogiques ;
• Les lignes d'alimentation doivent suivre le principe « court, droit, large » pour réduire l'inductance et les limitations de courant, ce qui se traduit par une alimentation plus stable.

V. Conception de découplage : Créer un environnement à faible bruit pour maximiser les performances de l'appareil

Le cœur du découplage est le « filtrage du bruit de l'alimentation ». Le rapport de réjection de l'alimentation (PSRR) détermine directement les performances de l'appareil. Ces 5 méthodes pratiques sont essentielles :

• **Combinaison de condensateurs :** Les condensateurs céramiques à faible inductance filtrent le bruit haute fréquence, les condensateurs électrolytiques agissent comme des « réservoirs de charge » pour filtrer le bruit basse fréquence, et des perles de ferrite peuvent être sélectionnées pour améliorer l'isolation ;
• **Placez les condensateurs de découplage près des broches d'alimentation de l'appareil et connectez-les à un plan de masse à faible impédance à l'aide de pistes ou de vias courts pour réduire l'inductance série ;**
• **Placez de petits condensateurs (0,01μF-0,1μF) à côté des broches d'alimentation pour éviter l'instabilité de l'appareil lorsque plusieurs sorties commutent simultanément ;**
• **Gardez les condensateurs électrolytiques (10μF-100μF) à moins de 1 pouce des broches d'alimentation ; une trop grande distance affectera les performances de filtrage ;**
• **Les condensateurs de découplage peuvent être connectés au plan de masse en forme de T via à côté de la broche GND de l'appareil, simplifiant le processus sans câblage supplémentaire.**

VI. Empilage de circuits imprimés : Planifiez les couches à l'avance et optimisez les chemins de retour

Déterminez le schéma d'empilage avant le routage, sinon cela affectera le chemin de retour du signal. Différents nombres de couches nécessitent différentes considérations de conception :

• Les systèmes d'acquisition de données haute performance doivent donner la priorité aux circuits imprimés à 4 couches ou plus ; les cartes à deux couches conviennent aux circuits simples.
• Disposition typique d'une carte à 4 couches : Couche supérieure (signaux numériques/analogiques), deuxième couche (couche de masse, réduisant la chute de tension IR et protégeant les signaux), troisième couche (couche d'alimentation), couche inférieure (signaux auxiliaires) ;
• Les couches d'alimentation et de masse doivent être étroitement adjacentes, en utilisant la capacité intercouche pour obtenir un découplage haute fréquence ;
• Les cartes multicouches peuvent utiliser des vias borgnes et des vias enterrés pour connecter les couches, réduisant l'espace des pistes de surface et rendant la disposition plus propre.

VII. Résistances en cuivre des circuits imprimés : Choisir la bonne épaisseur de cuivre pour réduire les erreurs
Les pistes en cuivre sont le cœur des interconnexions de circuits et des plans de masse. Une résistance excessive peut entraîner des erreurs de signal. Rappelez-vous ces points :

• Les circuits imprimés standard utilisent du cuivre de 1 oz ; les sections haute puissance utilisent du cuivre de 2 oz ou 3 oz (la résistivité du cuivre est de 1,724 × 10⁻⁶ Ω/cm à 25℃) ;
• La feuille de cuivre de 1 oz a une épaisseur d'environ 0,036 mm, avec une résistance de 0,48 mΩ/carré. Par exemple, une piste de 0,25 mm de large a une résistance d'environ 19 mΩ/cm ;
• Pour les circuits de précision à faible impédance (tels que les CAN 16 bits), faites attention à la résistance des pistes en cuivre pour éviter d'introduire des erreurs supplémentaires. Élargissez les pistes ou augmentez l'épaisseur du cuivre si nécessaire.

VIII. Conception de la mise à la terre : Deux options, choisissez en fonction des besoins

La mise à la terre est cruciale pour supprimer les interférences. Choisir la bonne option est important pour différents systèmes. Deux méthodes courantes sont expliquées en détail :

1. Couche de masse unique (recommandée pour les systèmes CAN/CNA à faible courant numérique)

• L'utilisation d'une seule couche de masse solide permet au courant de retour de suivre le chemin de moindre résistance, évitant les interférences de signaux mixtes.
• Le courant de retour basse fréquence circule le long de la ligne de référence de masse de l'appareil, tandis que le courant de retour haute fréquence revient le long du chemin du signal, réduisant les interférences de boucle.

2. Masse analogique indépendante + Masse numérique (recommandée pour les systèmes complexes à courant élevé)

• Diviser la couche de masse en masse analogique et masse numérique, connectées via une « mise à la terre en étoile » (le point d'intersection est une mise à la terre en étoile), assurant des niveaux de référence cohérents pour les deux.
• La broche AGND des appareils à signaux mixtes est connectée à la masse analogique et la broche DGND est connectée à la masse numérique, isolant le courant numérique à bruit élevé.
• Les circuits imprimés multicouches doivent assurer une isolation complète entre les plans AGND et DGND, et le chevauchement n'est pas autorisé.

IX. Blindage contre les interférences électromagnétiques : Créez une cage de Faraday pour éliminer les interférences externes

Après avoir traité les interférences internes, il est crucial de se protéger contre les interférences électromagnétiques externes (EMI). Sinon, des interruptions de communication, une corruption des données des capteurs et des défaillances des composants peuvent se produire. Voici quelques techniques de blindage :

• Utilisez un blindage métallique suffisant pour créer une « cage de Faraday », couvrant entièrement le circuit des six côtés et connectez-le au plan de masse pour un blindage optimal.
• La conception du blindage doit tenir compte des exigences de dissipation thermique et réserver les canaux d'entrée/sortie de signal. Le blindage ne doit pas interférer avec le fonctionnement normal du circuit.
• Pour les environnements à haute fréquence et à fortes interférences, la couche de blindage doit assurer une connexion transparente pour éviter les « lacunes de blindage ».

Maîtrisez ces 9 techniques de conception de circuits imprimés hybrides. Que vous soyez un débutant ou un optimiseur de circuits imprimés expérimenté, vous pouvez facilement gérer divers défis de conception, doublant directement la stabilité et les performances du circuit !