Pensez-vous qu’il suffit de mettre la carte dans un boîtier en aluminium pour la blinder ?
En réalité, un boîtier métallique ou un câble blindé ne sert à rien s’il n’est pas relié à la masse. Pire : un blindage flottant peut même se comporter comme une antenne qui capte le bruit. Cet article explique, à partir du circuit équivalent, pourquoi le blindage fonctionne.
- Les trois types de blindage
- Blindage électrostatique — pourquoi il faut le relier à la masse
- Blindage électromagnétique — « réflexion » et « absorption » dans le métal
- Les « trous » ruinent un blindage
- Raccordement du blindage d’un câble : d’un côté ou des deux ?
- L’effet de blindage du plan de masse
- En résumé
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Les trois types de blindage
Le bruit qui se propage dans l’air emprunte trois chemins, et chacun appelle un type de blindage différent.
- Blindage électrostatique : bloque l’induction électrostatique (via les capacités parasites). Utilise un conducteur électrique
- Blindage magnétique : bloque l’induction électromagnétique (le flux embrassé). Matériau magnétique en basse fréquence, conducteur en haute fréquence
- Blindage électromagnétique : bloque les ondes électromagnétiques (champ lointain). Utilise un conducteur électrique
Ce sont trois phénomènes distincts, mais un boîtier métallique réel les assure tous à la fois. Commençons par le plus fondamental : le blindage électrostatique.
Blindage électrostatique — pourquoi il faut le relier à la masse
L’induction électrostatique, c’est du bruit transmis par les capacités parasites. Si une capacité parasite C1 existe entre la source de bruit A et le circuit victime B, la variation de tension de A se transmet à B au travers de celle-ci.
Que se passe-t-il si l’on insère un blindage (une plaque conductrice) entre A et B ? Raisonnons sur le circuit équivalent.
Blindage relié à la masse : le bruit de A atteint le blindage par C2, mais comme celui-ci est relié à la masse son potentiel reste nul. Si le potentiel du blindage est nul, aucun bruit n’est transmis à B par C3.
Blindage flottant (non relié à la masse) : le bruit de A fait varier le potentiel du blindage par C2, puis se propage vers B par C3. Le blindage devient le point milieu d’un diviseur capacitif qui relaie le bruit : l’effet de blindage est nul, et la situation peut même empirer.
C’est exactement pour cela qu’un blindage « ne commence à agir qu’une fois relié à la masse ».
Blindage électromagnétique — « réflexion » et « absorption » dans le métal
Le blindage contre les ondes électromagnétiques (haute fréquence) fonctionne parce que le métal les réfléchit et les absorbe.
Perte par réflexion
L’impédance d’onde de l’air vaut environ 377 Ω ; celle du métal est ≪ 1 Ω. Ce fort désaccord d’impédance fait que l’essentiel de l’onde est réfléchi à la surface du métal. Cet effet à lui seul donne déjà un blindage important, même avec une tôle mince.
Perte par absorption
La part de l’onde qui pénètre dans le métal met en mouvement des courants (courants de Foucault) et se transforme en chaleur. L’onde décroît exponentiellement à mesure qu’elle progresse et devient négligeable à une certaine profondeur : l’épaisseur de peau. Celle-ci diminue quand la fréquence augmente, si bien qu’en haute fréquence un métal mince absorbe suffisamment.
Conclusion pratique : même une feuille métallique mince blinde largement contre les ondes haute fréquence. Le cas délicat est le champ magnétique basse fréquence (bruit secteur à fréquence industrielle, par exemple), qui exige un matériau magnétique à forte perméabilité comme le permalloy.
Les « trous » ruinent un blindage
Pour que le blindage électromagnétique fonctionne pleinement, il faut entourer le circuit sans interstice. Or tout boîtier réel comporte des trous et des fentes : découpes de connecteurs, ouïes de ventilation, passages de câbles, joints de panneaux.
Ce qui compte n’est pas « la surface du trou » mais sa longueur, son grand côté. Le blindage électromagnétique fonctionne parce qu’un courant induit circule dans le matériau, et une fente longue et étroite coupe ce chemin de courant. Même de faible surface, une fente longue fait de gros dégâts.
Parades :
- Pour la ventilation, de nombreux petits trous plutôt qu’un grand (diamètre très inférieur à la longueur d’onde)
- Assurer une liaison électrique fiable aux joints du boîtier : la peinture transforme un joint en « trou » électrique
- Utiliser des connecteurs blindés et relier leur coque à la masse du boîtier
Raccordement du blindage d’un câble : d’un côté ou des deux ?
La question revient sans cesse : faut-il raccorder le blindage d’un câble blindé d’un seul côté ou des deux ?
Du point de vue électrostatique, il suffit de relier le blindage à la masse : un raccordement d’un seul côté convient. Raccorder les deux crée une boucle de masse, et un champ magnétique extérieur embrassant cette boucle y capte du bruit.
En revanche, face à l’induction haute fréquence, l’effet de blindage vient du courant qui circule dans le blindage. Or un courant exige une boucle : raccorder les deux extrémités est alors préférable.
Les mesures le confirment : en basse fréquence le raccordement d’un côté l’emporte, en haute fréquence celui des deux côtés. Choisir selon les fréquences en jeu, ou raccorder les deux côtés en maîtrisant la boucle par conception, voilà la réponse réaliste.
L’effet de blindage du plan de masse
En conception de carte, le boîtier métallique n’est pas seul à blinder : le plan de masse lui-même fait office de blindage.
Rapprocher une piste de signal du plan de masse fait que ses lignes de champ électrique aboutissent sur le plan, ce qui réduit la diaphonie vers les pistes voisines. C’est précisément le principe du blindage électrostatique, le plan de masse jouant le rôle de conducteur à potentiel nul.
Placer le plan de masse sur une couche interne d’une carte multicouche, de façon à encadrer les couches de signal, est l’agencement qui maximise cet effet.
En résumé
- Il existe trois types de blindage — électrostatique, magnétique et électromagnétique — et chacun repose sur un principe différent
- Le blindage électrostatique exige une liaison à la masse. Le laisser flottant est contre-productif, et le circuit équivalent montre exactement pourquoi
- Le blindage électromagnétique combine réflexion et absorption. Même un métal mince est efficace en haute fréquence
- C’est la longueur d’une ouverture qui ruine un blindage. Pensez au grand côté, pas à la surface
- Le plan de masse blinde lui aussi. Router à proximité réduit la diaphonie
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