Pourquoi mon PCB “ne fonctionne” pas ?

Le prototype sur lequel compte tant l’entreprise vient de revenir de fabrication, on le met sous tension, on insert la carte mémoire contenant le microcode… Mince, « ça ne boot pas ». Le verdict des ingénieurs est implacable : le problème viendrait du PCB, car les schémas de la note d’application ont été largement re-utilisés, et la carte d’évaluation « fonctionne ».

Le routeur de PCB est alors laissé seul en face du problème sans la moindre idée de ce qu’il va falloir faire pour y remédier : il n’est pas spécialiste en intégrité du signal, ni en CEM ! Et souvent, les ingénieurs non plus d’ailleurs…

Cet article est destiné à sensibiliser les concepteurs de PCB sur les risques réels de dysfonctionnement des PCB en raison de l’emploi de composants rapides, amplifiés par la méconnaissance de la physique relative au comportement des lignes de transmission sur lesquelles transitent les signaux. Celles-ci sont modélisées ainsi :

Nous avons ici 3 segments ayant une résistance et donc une inductance parasite, plaqués sur un diélectrique ayant une capacité parasite. De là, il est possible de concevoir un stackup pour satisfaire les exigences techniques qui sont parfois bien différentes des contingences économiques.

Les spécifications de tracé du PCB précisaient que les « pistes » devaient « faire » 50Ω. Mais 50Ω par rapport à quoi ? Par rapport au plan de référence de la piste, voir schéma ci-dessus. On voit bien ici l’importance des plans de référence des signaux et des plans de masse des alimentations.

La conception du stackup est un exercice complexe, qui ne doit rien au hasard et qui doit être réalisé avec rigueur, avant de tracer la moindre piste sur le PCB. Comme l’impédance est directement dépendante de la largeur de la piste, on comprend la raison de cette chronologie.

La connaissance des caractéristiques des matériaux qui constituent un PCB et des méthodes de fabrication sont essentielles pour concevoir correctement un stackup.

Mais revenons à notre ligne de transmission. Celle-ci a une caractéristique particulièrement ennuyeuse pour la suite de notre travail : Sa longueur critique. Si la longueur critique de l’équipotentielle est dépassée, il faut impérativement adapter la ligne de transmission sous peine de rencontrer des signaux tels que celui-ci. D’où déclanchements aléatoires, augmentation de la diaphonie, fatigue des composants et, bien sûr, incompatibilité CEM de l’équipement.

Il est curieux que de nombreux électroniciens pensent que ce type de signaux est normal, mais ce signal ne doit sous aucun prétexte exister. Les prestataires de validation CEM font leurs choux gras de leur ignorance de ces sujets.

Il est possible de connaître la longueur critique d’une piste, l’affaiblissement du signal qui la parcourt ainsi que la diaphonie engendrée par celle-ci, avant même de commencer à tracer un circuit.

Alors, pourquoi ne pas commencer par le début ?

La méthodologie de conception d’un PCB est fondamentale lorsque l’on est confronté au tracé des équipotentielles rapides qui constituent un bus mémoire type DDRx, par exemple. Sur un bus mémoire 64 bits, on se retrouve avec une petite centaine de lignes asymétriques critiques, devant être adaptées, de longueur contraintes et synchronisées par une demi-douzaine de différentielles rapides. Ouf !! Sans une méthode c’est la catastrophe. Et n’essayez surtout pas de copier les soi-disant designs de référence, ils sont souvent plus que douteux, surtout si la géométrie de la carte d’évaluation diffère de la vôtre.

En aucun cas, on ne doit jeter la pierre aux concepteurs de PCB, qui n’ont que trop rarement un master de physique nécessaire pour comprendre les phénomènes électromagnétiques et les modéliser, sans compter sur le fait que personne ne s’est donné la peine d’expliquer les signaux critiques, et comment détecter les problématiques à venir lors du placement des composants .

Et ne croyez pas que les problèmes mentionnés ne sont visibles qu’à très haute fréquence. Le pilotage d’une LED clignotant à 1Hz peut poser bien des soucis…

La formation « Techniques et méthodes de conception avancée d’une carte électronique comportant des signaux rapides » permet de transmettre la compréhension des phénomènes électromagnétiques impactant le tracé du circuit imprimé, et de fournir des éléments de quantification de ceux-ci. Ceci permet également d’établir des spécifications circonstanciées et justifiées qui sont alors plus simples à respecter parce que comprises et acceptées.

Prochaines dates de formation :

21/03/2023 au 23/03/2023 – 9 h 00 à 17 h 00
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