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 leurs projets électroniques, tandis que la conception des circuits imprimés, pourtant cruciale, est parfois négligée. Une conception inadéquate 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 de circuits imprimés.

Dimensionnement des traces

Les pistes en cuivre présentent une résistance naturelle qui peut entraîner des chutes de tension, une dissipation de puissance et des augmentations de température lorsque le courant les traverse. Les concepteurs de circuits imprimés s'attaquent à ce problème en ajustant la longueur, l'épaisseur et la largeur des pistes. Les propriétés physiques du cuivre étant fixes, il est essentiel d'optimiser la taille des pistes afin de contrôler efficacement la résistance.

L'épaisseur des pistes de circuits imprimés se mesure 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 de 0,9 m². Si de nombreux concepteurs utilisent du cuivre de 28 ou 58 g, certains fabricants de circuits imprimés peuvent proposer une épaisseur allant jusqu'à 170 g. Il est important de noter que la production de détails fins, comme des broches rapprochées, peut s'avérer complexe avec du cuivre plus épais. Il est conseillé de consulter votre fabricant de circuits imprimés 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 adapté à votre application. L'objectif est d'atteindre 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 plus économiques. Il est à noter que pour les cartes multicouches, les pistes des couches externes bénéficient d'un meilleur refroidissement que celles des 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 conserver des boucles aussi compactes que possible, notamment à hautes fréquences. La réduction de la taille des boucles 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 abaisser la tension à haute fréquence. De plus, des 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 primordial de maintenir des boucles de petite taille dans les circuits d'amplificateurs opérationnels afin d'éviter le couplage du bruit dans le circuit.

Placement des condensateurs de découplage

Il est recommandé de positionner les condensateurs de découplage au plus près des broches d'alimentation et de masse des circuits intégrés afin d'optimiser les performances de découplage. Un éloignement plus important des composants peut entraîner l'introduction d'inductances parasites.

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 afin de minimiser la résistance et l'inductance parasites. Par exemple, pour mesurer une résistance de détection de courant, il est essentiel de positionner les connexions directement sur les plots de la résistance, plutôt qu'à des points arbitraires sur les pistes. Bien que le schéma puisse sembler similaire, que les connexions soient effectuées sur les plots ou ailleurs, il est important de noter que les pistes réelles présentent une inductance et une résistance qui peuvent affecter la précision des mesures si les connexions Kelvin ne sont pas utilisées.

Séparer les traces numériques et bruyantes des traces analogiques

Il est important de noter que les pistes 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 nette entre les pistes hautes fréquences 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 crucial d'éloigner les masses bruyantes des signaux sensibles afin de maintenir une qualité de signal optimale. Il est essentiel de s'assurer que les pistes de terre sont suffisamment larges pour supporter le flux de courant prévu. Placer un plan de masse directement sous les pistes de signal est une méthode efficace pour réduire l'impédance, ce qui contribue à préserver l'intégrité du signal.

Via la taille et la quantité

Les vias contribuent à l'inductance et à la résistance globales d'un circuit. Lorsqu'une piste doit être acheminée sur un circuit imprimé (PCB) et qu'une faible inductance ou résistance est requise, il est conseillé d'envisager l'utilisation de plusieurs vias. Des 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 autour des composants montés en surface afin d'augmenter la surface et d'optimiser la dissipation thermique. Il est courant que les fiches techniques des composants, notamment celles des diodes de puissance, des MOSFET ou des régulateurs de tension, fournissent des instructions sur l'utilisation de la surface du circuit imprimé comme dissipateur thermique.

Vias thermiques

Les vias facilitent le transfert de chaleur d'un côté à l'autre d'un circuit imprimé, ce qui est avantageux lorsque le circuit imprimé est monté sur un dissipateur thermique ou un châssis pour une meilleure dissipation thermique. Il est plus efficace d'utiliser des vias de grande taille pour le transfert de chaleur que des vias plus petits. De plus, l'utilisation de plusieurs vias est généralement plus efficace qu'une seule. Cela permet de réduire la température de fonctionnement des composants, ce qui améliore leur fiabilité.

Soulagement thermique

La décharge thermique est une technique de soudure qui utilise de petites connexions entre une piste ou un remplissage et une broche de composant afin de simplifier le processus de soudure. Ces connexions sont courtes afin de minimiser la résistance électrique, ce qui est avantageux d'un point de vue technique. Sans décharge thermique, si les composants peuvent bénéficier d'une meilleure dissipation thermique grâce à une connexion plus directe aux pistes ou aux remplissages dissipateurs de chaleur, le soudage et le dessoudage du composant peuvent s'avérer plus complexes.

Espacement entre les pistes et les trous de montage

Il est important de maintenir un espacement approprié entre les pistes ou les remplissages en cuivre et les trous de montage afin de réduire les risques de choc électrique. Il est important de noter que le masque de soudure n'offre pas une isolation fiable. Il est donc essentiel de veiller à une distance suffisante entre les zones en cuivre et le matériel de montage.

Composants sensibles à la chaleur

Il est important de séparer les composants thermosensibles de ceux qui génèrent de la chaleur. Les thermocouples et les condensateurs électrolytiques sont des exemples de composants thermosensibles. Il est important de noter que le positionnement des thermocouples à proximité de sources de chaleur peut fausser les relevés de température, tandis que le placement des condensateurs électrolytiques à proximité de composants générateurs de chaleur peut nuire à leur durée de vie. Les composants générateurs de chaleur comprennent les ponts redresseurs, les diodes, les MOSFET, les inductances et les résistances. La quantité de chaleur produite par ces composants dépend du courant qui les traverse.

Conclusion

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