Qu'est-ce que le chemin du courant de retour dans un PCB ?
Le chemin du courant de retour est l’un des aspects fondamentaux de tout schéma de circuit. Dans un schéma de circuit et un schématique, le chemin que suit le courant électrique pour revenir sur le côté à faible potentiel d'une source d'énergie devrait être évident, mais il n’est pas si évident sur un PCB. Pour citer le grand Eric Bogatin lors de sa présentation au PCB West 2019, la différence entre un schématique et un schéma de PCB réside dans l'espace blanc de votre schématique. En d'autres termes, vous devez tenir compte de la géométrie de votre PCB afin de comprendre en profondeur comment le courant se déplace dans le système.
La géométrie de vos pistes et de vos plans internes n'est qu'un des aspects qui déterminent le chemin de retour du courant dans le PCB. Le signal lui-même choisira, d'une certaine manière, son propre chemin de retour. Une fois que le concepteur a compris comment la géométrie et les caractéristiques d'un signal affectent le chemin de retour, il devient plus facile de déterminer le chemin de retour des signaux sans avoir recours à des solveurs de champ 2D ou 3D.
Quels sont les facteurs déterminants du chemin du courant de retour dans un PCB?
Nous aimons croire que le courant suit la voie de la moindre résistance, mais cela n'est vraiment vrai que pour les circuits à courant continu. Avec des signaux variables dans le temps, le courant de retour suit le chemin de la moindre réactance, qui est également le chemin de la moindre impédance. Cela signifie que le chemin de retour dans votre PCB est entièrement déterminé par l'impédance du circuit qui transporte le courant de retour.
Si cela vous semble ésotérique, considérez un instant la structure d'un PCB moderne. Le courant circule de la source d'énergie le long des rails d'alimentation ou d'un plan d'alimentation, vers vos composants, et enfin dans le plan de masse, où il retourne à l'extrémité à faible potentiel de la source d'énergie. La totalité du chemin a une impédance spécifique.
Pour revenir un instant à l'électronique 101, l'impédance du courant dans vos circuits peut être divisée en une partie résistive (indépendante de la fréquence) et une partie réactive (dépendante de la fréquence). En réalité, tout circuit sur un PCB réel peut se comporter comme un circuit purement résistif, purement capacitif ou purement inductif, selon la géométrie, le comportement des différents composants et la fréquence du signal traversant un circuit. Les circuits linéaires réels sur une carte devraient être modélisés, au minimum, par exemple des circuits RLC, même si le circuit ne contient aucun condensateur ou inducteur discret.
Pourquoi un circuit dans un PCB fonctionnerait-il comme un circuit RLC ? Parce que les conducteurs adjacents sont séparés par un substrat isolant, ce qui crée une certaine capacité parasite. Le comportement inductif se produit parce que le chemin suivi par le courant forme une boucle fermée. Comme le substrat a une certaine perméabilité magnétique, chaque circuit se ressemble et a une certaine inductance parasite. Ces parasites et la résistance naturelle des conducteurs CC contribuent à l'impédance perçue par les signaux lorsqu'ils circulent sur la carte. Conjugués à la géométrie des pistes et des plans, ils déterminent collectivement le chemin suivi par les signaux lorsqu'ils reviennent à l'alimentation électrique.
Effet de la fréquence du signal sur le chemin du courant de retour dans un PCB
Pour comprendre comment se forme le chemin du courant de retour dans un PCB, nous allons d'abord examiner le comportement du courant continu dans un exemple simple. Dans le schéma ci-dessous, la vue verticale présente des pistes sur la couche de surface d'un PCB aboutissant à un CI. La moitié inférieure de la figure ci-dessous présente le plan de masse intérieur de la deuxième couche. Les deux conducteurs sont séparés par le substrat isolant, qui fournit la capacitance entre les deux couches. Notez que les symboles Condensateurs indiqués ci-dessous n'indiquent pas la présence de condensateurs discrets. Considérez-les comme faisant partie d'un modèle de circuit groupé. (Note : c'est en fait la raison pour laquelle chaque piste dans un PCB est en réalité une ligne de transmission. Nous reviendrons sur cette question dans un prochain article).
Un courant continu qui provient de la couche supérieure (au point +5 V) se déplace directement le long de la piste qui offre la moindre résistance. Lorsque le courant quitte le CI, il pénètre dans la couche intérieure par un via et se déplace le long du plan de masse. Il retourne ensuite au point d'alimentation de la couche de surface par un autre via. Le courant continu est sensible à une réactance infinie (donc une impédance infinie) entre la couche de surface et le plan de masse, ce qui signifie que le courant ne voyage pas directement vers le substrat à travers la capacitance localisée. Lorsque le courant entre dans le plan de masse, il suit le chemin de moindre résistance pour revenir au via GND. Notez que le chemin de moindre résistance se trouve être la distance la plus courte (la ligne jaune droite) entre les deux vias.
La situation est différente si le signal varie dans le temps (qu'il s'agisse d'une impulsion, d'un signal numérique ou analogique). Comme la tension et le courant changent dans le temps, le signal peut induire un courant de déplacement à travers la capacitance localisée dans le substrat, qui se déplace ensuite dans le plan de masse. Cela signifie que le courant de retour est produit dans le plan de masse sous la piste. La résistance ne change pas avec la fréquence, mais la réactance fournie par la capacitance du substrat dépend de la fréquence. Le courant a tendance à se concentrer sous la piste du signal, ce qui correspond au chemin de moindre réactance.
Notez que les lignes jaunes indiquées dans la vue verticale sont légèrement décalées par rapport au tracé du circuit, pour plus de clarté. Nous espérons que vous pouvez voir la nette différence entre ces deux situations. La situation devient évidemment plus compliquée selon le nombre de pistes, composants et couches de plans dans un PCB. En réalité, le courant de retour aura une distribution approximativement gaussienne sous la piste à des fréquences élevées (~MHz et plus). À des fréquences modérées (dans la dizaine de kHz), il y a toujours un certain courant qui suit le chemin de retour CC. Consultez cet article de Bruce Archambeault (Figs. 3-5) pour avoir une idée de ce qui se passe aux fréquences modérées.
Qu'en est-il des chemins de retour des signaux mixtes ?
Avec les cartes à signaux mixtes, le contrôle des chemins du courant de retour est d'autant plus important que vous devez essayer d'empêcher les signaux numériques d'induire un courant dans les sections analogiques de la carte. La division de votre circuit en sections analogiques et numériques contribue grandement à réduire la diaphonie des signaux mixtes. Cependant, vous devez tout de même faire l’effort de déterminer le chemin du courant de retour dans votre PCB pour éviter que chaque type de signal interfère accidentellement avec des composants sensibles. Dans un article récent, Francesco Poderico propose un excellent tutoriel sur la détermination des chemins de retour dans les cartes de signaux mixtes.
Si vous exploitez judicieusement l'analyse de votre agencement, vous n'aurez probablement pas besoin de faire des simulations pour déterminer les chemins de retour de votre PCB. Cependant, les outils de simulation et les solveurs de champs 2D/3D fournissent toujours des valeurs réelles. Ils permettent de vérifier un grand nombre de vos choix conceptuels et la fonctionnalité des différents circuits de votre PCB.
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