Effets CEM sur et des circuits imprimés
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- Roland Milot
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1 Effets CEM sur et des crcuts mprmés 2 avrl 2009 André Trabold Tel Rossens 1 Programme Introducton Immunté: Sgnaux perturbateur et fltres Emsson: Sgnaux perturbateur et fltres Montage d essa: effet d antenne d un conducteur Concept de zones d un crcut mprmé Montage d essa: plan de masse coupé Découplage des sgnaux et des IC s Almentaton à découpage Résumé 2
2 Introducton Immunté: Des perturbatons générés dans l envronnement peuvent nfluencer le fonctonnement d apparel électronque. Emsson: Des apparels électronque ou électrque peuvent générer / émettre des perturbatons dans l envronnement. Un system peut se perturber so même: p.ex. chute de tenson pendant la commutaton des IC, daphone, réflexons, etc. 3 Immunté: couplages envronnement crcut électronque Mode commun Mode dfférentel câble E, H E, H sgnal masse U GND U GND 4
3 Immunté: prncpe du fltrage I MODE COMMUN Sans fltre: Avec fltre: I MODE COMMUN Prncpe 1: Prncpe 2: Lason basse mpédance Haute mpédance sére 5 Emsson: couplages crcuts mprmés envronnement Mode commun Mode dfférentel câble E, H E, H sgnal masse U GND U GND 6
4 Emsson: prncpe du fltrage Sans fltres: Avec fltres: ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ Prncpe 1: Prncpe 2: Lason basse mpédance Haute mpédance sére 7 Montage d essa: effet d antenne d un conducteur Fl perpendculare au plan de masse Fl longe le plan de masse Plan de masse Analysateur de spectre 2) 1) 1) et 2): condensateur SMD 10nF Fl dépasse du plan de masse 8
5 Montage d essa: effet d antenne d un conducteur 1) Fl dépasse du plan de masse : Emsson à... MHz:... dbµv 2) Fl perpendculare au plan de masse : Emsson à... MHz:. dbµv 3) Fl longe plan de masse : Emsson à... MHz:... dbµv Plan de masse 4) Fl avec 10nF (1), ndépendamment de l orentaton: Emsson à... MHz:... dbµv 5) Fl avec 10nF (2) proche du connecteur, ndépendamment de l orentaton : Emsson à... MHz:... dbµv Fltrage 9 Exemple du prncpe de zones sur un crcut mprmé connecteur(s) fltrage des nterfaces analogque crcuts nterfaces numérque numérque rapde almentatons commutées F.DIG
6 Connect. Connect. Connect. Connect. Connect. Connect. Connect. Crcuts mprmés avec des connecteurs sur un seul côté. Zone d entrée/sorte Condensateur de fltrage zone «analogque» Câble blndé zone «dgtale» Surface de contact pour reler la masse au boîter ou à la plaque porteuse Plan de masse non coupé Trou de fxaton sans contact avec la masse 11 Crcuts mprmés avec connecteurs montés sur deux côtés opposés Zone «analogque» Condensateur de fltrage Zone «dgtale» Surface de contact pour reler la masse au boîter ou à la plaque porteuse Zones d entrée/sorte Plan de masse non coupé 12
7 Problématque des systèmes de bus avec connexon des câbles à l avant Idée de base: Dmnuer pert au moyenne d une mpédance sére. Offrr un chemn basse mpédance pour déver pert. pert pert pert pert E, H pert 13 Cartes enfchables Plaque frontale Crcut mprmé Zone d'entrée/sorte Trou de fxaton avec surface de contact connecteur connecteur Connecteur de bus Zone «dgtale» et/ou zone «analogue» Plan de masse non coupé Condensateur de découplage 1-10nF vs Châsss Lason basse mpédance (pas d eloxage, d oxydaton, penture etc.!) 14
8 Connecteur Connecteur Placement des condensateurs de découplage Zone d'entrée/ sorte juste Zone d'entrée/ sorte faux Condensateur de découplage Condensateur de découplage 15 Réalsaton de la zone de fltrage vers le crcut vers le crcut connecteur Masse faux Masse Condensateurs de découplage juste 16
9 0,47 µf Réalsaton de la zone de fltrage Zone «dgtale» Zone I/O La sute des éléments sur le layout dot être la même que sur le schéma! 2 x 40 uh Self 2 x 82 mh Connect. Connexon E/S 0,1 uf 2 x 2,2 nf Surface de contact et de fxaton au boîter optocoupleur Condensateur de découplage de 10 nf sur toutes les pstes 0,1 uf 2 x 82 mh 0,47 uf Réseau 2 A / 40 uh 2 x 2,2 nf 17 Concepton de la masse pour crcuts multcouches Surface de contact pour la mse à la masse Condensateur de découplage Zone I/O Connect. Connect. Zone I/O Zone «analogue» Zone «dgtale» Pstes de sgnaux Tenson(s) d almentaton (surface(s)) Plan de masse Trou de fxaton solé Pstes de sgnaux 18
10 Essa du plan de masse coupé montage d essa Générateur de sgnaux Coupure dans le plan: trou de montage ou pste sur le plan de masse. Rectangle 1MHz Pste longeant le plan de masse ou franchssant la coupure. Plan de masse Sonde sous le plan de masse 10kOhm // 100pF Analysateur de spectre 19 Essa du plan de masse coupé résultat 1) Pste longeant le plan de masse: Ponte à... MHz:... dbµv Chemn du courant: Aller = Retour 2) Pste franchssant la coupure: Ponte à... MHz:. dbµv Chemn du courant: Aller Retour Dessner le layout enfn d assuré un chemn aller et retour le plus proche l un de l autre. Evter les coupures dans le plan de masse. 20
11 Essa du plan de masse coupé résultat champ proche Störfeldmessung Champ perturbateur mt mesuré der Nahfeldsonde avec une sonde drekt drectement unter der Leterplatte sous le pcb Ampltude [dbuv/m] Frequenz Fréquence [MHz] Leterbahn Trace Pste franchssant sur coupure über Enschntt la coupure Leterbahn Trace Pste langeant sur plan über le de Fläche plan masse de masse 21 Essa du plan de masse coupé résultat champ lontan Störfeldmessung Champ perturbateur n 10m mesuré Dstanz à 10m dbuv/m Fréquence Frequenz[MHz] Leterbahn Pste franchssant über Enschntt la coupure Lmte Kl.A cl. A Lmte Kl.B cl. B Leterbahn Pste langeant über Fläche le plan de masse 22
12 Concepton de la masse Technque dgtale: surfaces avec un maxmum d nterconnexons Technque analogque BF à courants fables: dem technque dgtale Technque analogque BF à courant élevé: en étole pour les pstes parcourues par des courants élevés reste dem technque dgtale Technque analogque HF: technque strplne ou mcrostrp F.DIG Relatons entre la forme du sgnal et son spectre de fréquence Sgnal t r T D u, 20 db/décade 40 db/décade 1/πD 1/πt r Log (f) Flanc et pérode auss lent que l applcaton le permet. 24
13 Fltre passe-bas Les flancs rades peuvent être «arronds» par un fltre passe-bas. Les harmonques sont atténuées et le brut dmnue. Il faut encore veller à ce qu l n y at pas de bascule rapde plus lon dans le crcut. En effet, elle reconsttuerat le sgnal avec ses flancs d orgne et rédurat le fltrage à néant. Electronque 20 MHz Electronque Clock / Sgnal 56 Ohm Input 47 pf 25 Composton du courant d almentaton d un crcut ntégré L pste commutaton C découplage CI charge crcut de charge transverse C charge L pste C paraste commutaton commutaton = transverse + charge F.DIG
14 Courant de commutaton d un IC 74AC00 (Quad 2-Input NAND) [ma] U sorte 5V/DIV. UAusg I commut. sans C découplage 40mA/DIV. 74AC [ma] f [MHz] 100 I commut. avec C découplage 10nF 40mA/DIV. 74AC ns/DIV f [MHz] mesure: montena 27 Système d almentaton avec des condensateurs à valeurs dfférents 28
15 Impédance du système d almentaton Surfaces de masse et Vcc C1: 1 mf C3: 100 nf C2: 4.7 uf C4: 10 nf 29 Découplage de l almentaton Faux 10nF Vcc up Vcc 10nF Faux Sgnal 2 Vcc GND Vcc Vcc Sgnal 1 10nF Correcte 30
16 Almentaton à découpage 31 DC/DC Les courants dans le dfférentes boucles (t) t créent des champs. 32
17 DC/DC Layout: mnmser les boucles 33 Good swtchng power supply layout (the bottom layer s a full ground plane) source: 34
18 Effets CEM sur et des crcuts mprmés Résumé: - Identfer les éventuels chemns des courants perturbateurs externes. - Délmter des zones sur le PCB. - Défnr le fltrage et les découplages et les placer de manère optmale. - Identfer les sources de perturbaton nternes (commutateurs et IC s). - Placement déal des sources de perturbaton nternes dans la zone. - Défnr le fltrage et les découplages et les placer de manère optmale. 35 Effets CEM sur et des crcuts mprmés Merc pour votre attenton. 36
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