« Pourquoi une carte rayonne-t-elle du bruit ? »
Quand on examine un circuit ayant échoué à un essai CEM, la plupart des problèmes remontent à un « câblage qui forme une boucle ». Dans cet article, nous expliquons comment un circuit électrique fonctionne comme une antenne et pourquoi la surface de boucle est directement liée au rayonnement de bruit.
Bases des antennes — Deux types d’antenne
Il existe globalement deux types d’antenne.
Antenne fouet (antenne linéaire) : un conducteur rectiligne. Son intensité de rayonnement est proportionnelle à « longueur de l’antenne × courant ». En champ proche, le champ électrique domine.
Antenne cadre (boucle) : un conducteur en forme de boucle. Son intensité de rayonnement est proportionnelle à « surface de la boucle × courant ». En champ proche, le champ magnétique domine.
Et le câblage d’une carte fonctionne, sans le vouloir, comme ces deux antennes.
La « boucle cachée » du câblage de signal
C’est le point le plus important.
Une piste de signal sur une carte ressemble à première vue à une « courte ligne droite ». Mais le signal forme toujours une boucle aller-retour. Le chemin de retour est la piste de masse commune. La piste de signal plus la piste de masse forment une boucle, et c’est la surface de cette boucle qui détermine l’intensité de rayonnement.
Sous forme de formule, l’intensité de rayonnement d’une antenne cadre est :
Intensité du champ E rayonné ∝ surface de boucle (S) × courant (I) × fréquence² (f²)Autrement dit, plus la boucle est grande, plus le courant est fort et plus la fréquence est élevée, plus le rayonnement de bruit augmente. Si les problèmes de CEM s’aggravent à mesure que la fréquence d’horloge d’un circuit numérique augmente, c’est parce que le rayonnement croît avec le carré de la fréquence.
Minimiser la surface de boucle est la mesure de base
Le moyen le plus direct de supprimer le rayonnement est de réduire la surface de boucle.
Mesure 1 : rapprocher la piste de signal et la masse
Placez un plan de masse juste sous la piste de signal et le courant de masse circulera juste sous la piste, minimisant la surface de boucle. C’est l’une des principales raisons de prévoir un plan de masse dans une carte multicouche.
Mesure 2 : router en pensant au chemin de retour
Sur une carte 2 couches sans plan de masse, il est important d’être conscient de l’endroit où circule le courant de masse. Faire courir une piste de masse à côté de la piste de signal réduit la boucle.
Mesure 3 : localiser la boucle avec un condensateur de découplage
Les variations brusques du courant d’alimentation d’un CI sont une cause majeure du rayonnement par boucle. En plaçant un condensateur de découplage juste à côté du CI, on peut localiser la boucle parcourue par le fort courant à une petite région autour du CI.
Effet d’antenne fouet — Rayonnement depuis les câbles externes
Si l’effet d’antenne cadre est un problème interne à la carte, l’effet d’antenne fouet est surtout un problème des câbles externes.
Un câble sortant d’un équipement électronique est un long conducteur rectiligne. Le courant de signal dans le câble (mode normal) s’annule à l’aller et au retour, il ne rayonne donc pas. Mais le courant de mode commun circule dans le même sens, il n’y a donc pas d’annulation, et il rayonne fortement du bruit comme une longue antenne fouet.
Les alimentations à découpage sont une source typique de bruit de mode commun. Lorsque le bruit de mode commun interne à la carte se propage sur un câble externe, ce câble devient une antenne géante. Inversement, il capte aussi un fort bruit externe en mode commun via le câble.
C’est là qu’intervient la raison de placer un filtre de mode commun (CMC) à la sortie du câble. En coupant la composante de mode commun avant qu’elle ne s’engage sur le câble, on empêche le câble de devenir une antenne.
La boucle augmente aussi l’inductance
L’inconvénient d’une grande surface de boucle n’est pas que le rayonnement. Un câblage en boucle possède de l’inductance. Plus la boucle est grande, plus l’inductance augmente, et plus la tension de bruit due à V = L × di/dt augmente aussi.
Autrement dit, « réduire la surface de boucle » est une mesure qui fait d’une pierre deux coups : elle agit à la fois sur la réduction du bruit rayonné et sur la réduction du rebond de masse.
Résumé
- Le câblage fonctionne, sans le vouloir, comme une antenne. Le câblage en boucle est une antenne cadre ; le câblage rectiligne, une antenne fouet.
- L’intensité de rayonnement d’une antenne cadre est proportionnelle à « surface de boucle × courant × fréquence² ».
- La véritable source de rayonnement est la boucle incluant le courant de masse qui ramène le signal. Ramenez-le juste en dessous avec un plan de masse pour minimiser la surface de boucle.
- Les câbles externes deviennent de puissantes antennes fouet pour le courant de mode commun → coupez-le avec un CMC.
- Réduire la surface de boucle réalise à la fois la réduction du rayonnement et la réduction de l’inductance.
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