Un guide sur la conception essentielle des circuits imprimés pour chaque concepteur

Il n’est pas rare que les ingénieurs privilégient les circuits, les composants avancés et le code dans les projets électroniques, alors que la disposition des PCB, un élément crucial, est parfois négligée. Une disposition inadéquate des PCB peut entraîner des problèmes de fonctionnement et de fiabilité. Cet article propose des conseils pratiques pour garantir le fonctionnement optimal et la fiabilité de vos projets PCB.

Dimensionnement des traces

Les pistes en cuivre ont une résistance naturelle qui peut provoquer des chutes de tension, une dissipation de puissance et des augmentations de température lorsque le courant les traverse. Les concepteurs de PCB résolvent ce problème en ajustant la longueur, l'épaisseur et la largeur des pistes. Étant donné que les propriétés physiques du cuivre sont fixes, il est essentiel d'optimiser la taille des pistes afin de contrôler efficacement la résistance.

L'épaisseur des traces de PCB est mesurée en onces de cuivre. À titre d'exemple, une once de cuivre équivaut à une épaisseur de 1,4 millième de pouce, en supposant une répartition uniforme sur une surface d'un pied carré. Alors que de nombreux concepteurs utilisent 1 oz ou 2 oz de cuivre, certains fabricants de PCB peuvent fournir jusqu'à 6 oz d'épaisseur. Il est important de noter que la production de détails fins, tels que des broches rapprochées, peut être difficile avec du cuivre plus épais. Il est conseillé de consulter votre fabricant de PCB afin de comprendre ses capacités.

Pour déterminer l'épaisseur et la largeur optimales de vos pistes, nous vous recommandons d'utiliser un calculateur de largeur de piste PCB en fonction de votre application spécifique. L'objectif est d'obtenir une augmentation de température d'environ 5 °C. Si l'espace sur la carte est suffisant, il est recommandé d'opter pour des pistes plus larges, car elles sont rentables. Il convient de noter que pour les cartes multicouches, les pistes sur les couches externes ont un refroidissement supérieur à celles sur les couches internes. Cela est dû au fait que la chaleur des couches internes doit traverser plusieurs couches de cuivre et de matériau PCB avant d'être dissipée ou évacuée.

Gardez les boucles petites

Il est conseillé de garder les boucles, en particulier à hautes fréquences, aussi compactes que possible. La réduction de la taille de la boucle entraîne une diminution de l'inductance et de la résistance. Le placement des boucles sur un plan de masse permet de minimiser davantage l'inductance, ce qui contribue à son tour à réduire la tension à haute fréquence. De plus, les boucles compactes minimisent le couplage inductif provenant de sources externes et la diffusion depuis le nœud, ce qui est avantageux dans la plupart des cas, sauf lors de la conception d'une antenne. Il est de la plus haute importance de maintenir de petites boucles dans les circuits d'amplificateur opérationnel afin d'empêcher le bruit d'être couplé au circuit.

Placement des condensateurs de découplage

Il est recommandé de positionner les condensateurs de découplage le plus près possible des broches d'alimentation et de masse des circuits intégrés afin d'optimiser les performances de découplage. Le positionnement des composants à une plus grande distance peut entraîner l'introduction d'une inductance parasite.

Connexions Kelvin

La détection à quatre bornes, également appelée détection Kelvin, doit son nom à William Thomson, Lord Kelvin, qui a développé le pont Kelvin en 1861 pour la mesure précise de très faibles résistances. Dans cette méthode, chaque paire de fils est appelée connexion Kelvin.

Les connexions Kelvin sont essentielles pour des mesures précises, car elles sont placées à des points précis pour minimiser la résistance et l'inductance parasites. Par exemple, lors de la mesure d'une résistance de détection de courant, il est essentiel de positionner les connexions directement sur les pastilles de résistance, plutôt qu'à des points arbitraires sur les traces. Bien que le schéma puisse sembler similaire, que les connexions soient effectuées sur les pastilles ou ailleurs, il est important de noter que les traces réelles ont une inductance et une résistance qui peuvent affecter la précision de la mesure si les connexions Kelvin ne sont pas utilisées.

Séparer les traces numériques et bruyantes des traces analogiques

Il est important de noter que les traces ou conducteurs parallèles peuvent créer une capacité, ce qui peut entraîner un couplage capacitif entre les signaux, en particulier à hautes fréquences. Pour éviter tout problème potentiel de bruit indésirable, il est essentiel de maintenir une séparation claire entre les traces haute fréquence et bruyantes et celles qui sont sensibles.

La terre n'est pas la terre

Il est important de noter que la terre n'est pas un conducteur parfait. Par conséquent, il est essentiel d'éloigner les masses bruyantes des signaux sensibles afin de maintenir une qualité de signal optimale. Il est essentiel de veiller à ce que les pistes de terre soient suffisamment larges pour s'adapter au flux de courant prévu. Le positionnement d'un plan de masse directement sous les pistes de signal est une méthode efficace pour réduire l'impédance, ce qui est bénéfique pour maintenir l'intégrité du signal.

Par taille et quantité

Les vias contribuent à l'inductance et à la résistance globales d'un circuit. Dans les cas où une trace doit être acheminée sur un circuit imprimé (PCB) et qu'une faible inductance ou résistance est requise, il est conseillé d'envisager d'utiliser plusieurs vias. Les vias plus grands réduisent la résistance, ce qui en fait un atout précieux pour la mise à la terre des condensateurs de filtrage et des nœuds à courant élevé.

Utilisation du PCB comme dissipateur thermique

Il est recommandé d'ajouter du cuivre supplémentaire autour des composants montés en surface pour augmenter la surface et ainsi obtenir une dissipation thermique plus efficace. Il est courant que les fiches techniques des composants, en particulier celles relatives aux diodes de puissance, aux MOSFET ou aux régulateurs de tension, fournissent des directives sur l'utilisation de la surface du PCB comme dissipateur thermique.

Vias thermiques

Les vias facilitent le transfert de chaleur d'un côté à l'autre d'un PCB, ce qui est avantageux lorsque le PCB est monté sur un dissipateur thermique ou un châssis pour une meilleure dissipation de la chaleur. Il est plus efficace d'utiliser des vias plus grands pour le transfert de chaleur que des vias plus petits. De plus, l'utilisation de plusieurs vias est généralement plus efficace que de s'appuyer sur un seul via. Cela entraîne une réduction de la température de fonctionnement des composants, ce qui améliore à son tour leur fiabilité.

Soulagement thermique

La décharge thermique est une technique de soudure qui utilise de petites connexions entre une trace ou un remplissage et une broche de composant pour rationaliser le processus de soudure. Ces connexions sont maintenues courtes pour minimiser la résistance électrique, ce qui est bénéfique d'un point de vue technique. Sans décharge thermique, bien que les composants puissent obtenir une meilleure dissipation thermique en raison d'une connexion plus directe aux traces ou aux remplissages dissipant la chaleur, la soudure et le dessoudage du composant peuvent devenir plus difficiles.

Espacement entre les pistes et les trous de montage

Il est important de maintenir un espacement approprié entre les traces ou les remplissages en cuivre et les trous de montage afin de réduire le risque de choc électrique. Il est important de noter que le masque de soudure n'offre pas une isolation fiable. Par conséquent, il est essentiel de veiller à ce qu'il y ait une distance suffisante entre les zones en cuivre et le matériel de montage.

Composants sensibles à la chaleur

Il est important de veiller à ce que les composants sensibles à la chaleur soient séparés de ceux qui génèrent de la chaleur. Les thermocouples et les condensateurs électrolytiques sont des exemples de composants sensibles à la chaleur. Il est important de noter que le positionnement des thermocouples à proximité de sources de chaleur peut entraîner des relevés de température inexacts, tandis que le placement de condensateurs électrolytiques à proximité de composants générateurs de chaleur peut avoir un impact négatif sur leur durée de vie. Les composants générateurs de chaleur comprennent les ponts redresseurs, les diodes, les MOSFET, les inducteurs et les résistances. La quantité de chaleur produite par ces composants dépend du courant qui les traverse.

Conclusion

Cet article présente des conseils essentiels en matière de conception de circuits imprimés qui peuvent améliorer considérablement la fonctionnalité et la fiabilité de votre conception. Assurez-vous d'appliquer ces principes dans votre travail.