Introduction
Le plan de masse est sans doute l'élément le plus critique de la conception PCB moderne. Un plan de masse bien conçu garantit l'intégrité du signal, réduit les interférences électromagnétiques (EMI), assure la gestion thermique et crée une distribution d'alimentation stable. Pourtant, il reste l'un des aspects les plus mal compris de la conception de circuits imprimés.
De nombreux concepteurs traitent le plan de masse comme une réflexion après coup - se contentant de remplir les zones inutilisées avec du cuivre. Cette approche conduit à des échecs aux tests EMC, à des problèmes de bruit mystérieux et à des cartes qui fonctionnent sur l'établi mais échouent en production. La réalité est que la conception du plan de masse nécessite autant d'attention que le routage des signaux.
Ce guide complet couvre tout ce que vous devez savoir sur les plans de masse PCB : de la physique fondamentale des courants de retour aux techniques avancées pour les conceptions haute vitesse et à signal mixte. Que vous conceviez une simple carte 2 couches ou un système complexe 8 couches, ces principes vous aideront à créer des conceptions robustes et conformes EMC.
Qu'est-ce qu'un plan de masse PCB ?
Un plan de masse PCB est une grande zone de cuivre connectée à la référence de masse du circuit. Il peut occuper une couche entière dans une carte multicouche, ou représenter une partie importante d'une conception monocouche. Contrairement aux pistes de masse étroites qui créent de longs chemins de retour inductifs, un plan de masse fournit une référence à faible impédance et à grande surface pour tous les signaux et l'alimentation.
Considérez le plan de masse comme un système autoroutier pour les courants de retour. Sans lui, les courants de retour doivent emprunter des routes secondaires étroites (pistes), causant des embouteillages (inductance élevée), des retards (problèmes d'intégrité du signal) et de la pollution (EMI). Avec un plan de masse approprié, les courants de retour ont des voies illimitées pour circuler, résultant en un fonctionnement fluide et efficace.
Quatre fonctions critiques des plans de masse
Un plan de masse correctement conçu remplit quatre fonctions essentielles dans votre PCB :
1. Chemin de retour pour les courants de signal
Chaque piste de signal nécessite un chemin de retour pour son courant. Le plan de masse fournit ce chemin avec une inductance minimale. Aux hautes fréquences, le courant de retour circule naturellement directement sous la piste de signal par courant de déplacement dans le diélectrique, créant une boucle serrée à faible inductance.
2. Référence de contrôle d'impédance
Les signaux haute vitesse nécessitent une impédance contrôlée (généralement 50 ohms en single-ended ou 90-100 ohms en différentiel). Le plan de masse fournit la référence pour les lignes de transmission microstrip et stripline, permettant une impédance prévisible grâce au contrôle précis de la largeur de piste et de la hauteur diélectrique.
3. Blindage EMI
Les plans de masse agissent comme des boucliers électromagnétiques, réduisant à la fois les émissions de votre carte et la susceptibilité aux interférences externes. Un plan de masse continu peut améliorer les performances EMI de 15 dB par rapport à une carte sans plan de masse.
4. Stabilité de l'alimentation (capacité de découplage)
Lorsqu'il est associé à un plan d'alimentation étroitement espacé, le plan de masse forme un grand condensateur distribué. Cette capacité de plan aide à stabiliser la distribution d'alimentation et réduit le bruit haute fréquence dans le réseau de distribution d'alimentation (PDN).
Comprendre les chemins de retour
Le concept le plus important dans la conception du plan de masse est de comprendre comment les courants de retour circulent. Ce principe unique, bien compris, explique la plupart des règles du plan de masse et vous aide à prendre des décisions de conception intelligentes.
Comment circule le courant de retour
Une idée fausse courante est que le courant de retour prend le chemin le plus court vers sa source. En réalité, le courant de retour prend le chemin de plus faible impédance, qui varie avec la fréquence :
- En DC et basse fréquence - Le courant de retour suit le chemin de plus faible résistance, se répartissant dans tout le plan de masse
- Aux hautes fréquences (au-dessus de ~1 MHz) - Le courant de retour suit le chemin de plus faible inductance, ce qui signifie qu'il circule directement sous la piste de signal
Ce comportement dépendant de la fréquence se produit parce que l'impédance est Z = R + jwL. Aux basses fréquences, la résistance (R) domine. Aux hautes fréquences, la réactance inductive (jwL) domine, et le courant cherche à minimiser la surface de boucle pour réduire l'inductance.
Pourquoi c'est important
S'il n'y a pas de cuivre directement sous une piste de signal haute vitesse, le courant de retour doit contourner l'espace. Cela crée une grande surface de boucle, augmentant l'inductance, causant des réflexions de signal et rayonnant des EMI. Un seul espace dans votre plan de masse sous un signal critique peut provoquer un échec EMC.
Minimiser l'inductance de boucle
L'inductance de boucle est la métrique clé pour les performances du plan de masse. Une inductance de boucle plus faible signifie :
- Des fronts de signal plus propres avec moins de dépassement/sous-dépassement
- Émissions rayonnées plus faibles (meilleure EMC)
- Meilleure intégrité de l'alimentation avec moins de chute de tension
- Rebond de masse réduit
Un plan de masse mal conçu peut avoir une inductance de boucle de 10-20 nH par signal. Un plan de masse bien conçu avec une référence solide peut réduire cela à moins de 5 nH, améliorant considérablement les performances.
| Configuration | Inductance de boucle typique | Performance EMI |
|---|---|---|
| Piste de masse (pas de plan) | 20-50 nH | Médiocre |
| Grille de masse (2 couches) | 10-20 nH | Modérée |
| Plan de masse solide (4+ couches) | 2-5 nH | Bonne |
| Plans de masse doubles (8 couches) | 1-3 nH | Excellente |
Stratégies d'empilement des couches du plan de masse
L'empilement des couches détermine où les plans de masse se trouvent dans votre PCB et avec quelle efficacité ils servent l'intégrité du signal et de l'alimentation. Chaque niveau de couche supplémentaire permet de meilleures configurations de plan de masse.
Stratégies de masse pour carte 2 couches
Les cartes 2 couches présentent le plus grand défi pour la conception du plan de masse car les signaux et la masse doivent partager un espace limité. Les stratégies incluent :
- Remplissage de masse sur la couche inférieure - Dédiez autant que possible la couche inférieure à la masse, en routant les signaux sur le dessus
- Motif en grille de masse - Créez une grille de pistes de masse lorsqu'un remplissage solide n'est pas possible. L'espacement de la grille doit être inférieur à 1/10e de la longueur d'onde de la fréquence la plus élevée
- Pistes de masse épaisses - Utilisez des pistes de 50+ mil (1,25 mm) pour la masse afin de réduire la résistance et l'inductance
Limitation 2 couches
Même avec les meilleures pratiques, les cartes 2 couches produisent environ 15 dB de rayonnement supplémentaire par rapport aux cartes 4 couches avec plans de masse dédiés. Pour toute conception avec des signaux haute vitesse (USB, SPI à 10+ MHz, ou horloges au-dessus de 25 MHz), envisagez de passer à 4 couches.
Carte 4 couches : le minimum pour la qualité
Une carte 4 couches permet des plans de masse et d'alimentation dédiés, améliorant considérablement l'EMI et l'intégrité du signal. L'empilement recommandé est :
Cet empilement place la masse directement sous les signaux de la couche supérieure, offrant une excellente continuité du chemin de retour. Le plan d'alimentation sur la couche 3 s'associe à la masse sur la couche 2 pour former une capacité de plan pour la stabilité de l'alimentation.
Évitez cette erreur courante
N'utilisez PAS les empilements Signal-GND-GND-Signal ou Signal-Power-GND-Signal. Le premier ne fournit aucune capacité de plan d'alimentation. Le second place l'alimentation loin des signaux supérieurs sans chemin de retour local, et les signaux routant de la couche 1 à la couche 4 auront des chemins de retour interrompus.
Carte 6 couches : le point idéal
Une carte 6 couches ajoute deux couches de signal entre les plans, permettant un routage haute vitesse enterré avec un excellent blindage. Empilement recommandé :
Cela fournit un routage de signal haute vitesse blindé sur la couche 4, avec des plans de masse des deux côtés. L'espacement serré L2-L3 crée une excellente capacité de plan, tandis que les plans de masse doubles garantissent que chaque signal a une référence à proximité.
Carte 8 couches : conformité EMC complète
Une carte 8 couches est le minimum pour atteindre tous les objectifs EMC sans compromis. Elle fournit deux plans de masse dédiés, un plan d'alimentation et plusieurs couches de signal blindées.
Avantages clés de l'empilement 8 couches :
- Trois plans de masse fournissent des références redondantes
- Toutes les couches de signal ont une référence de masse adjacente
- Le routage stripline sur L3 et L6 est entièrement blindé
- Paire alimentation-masse étroitement couplée au centre
Considération de coût
Passer de 4 à 6 couches augmente généralement le coût de 30-40 %. Passer de 6 à 8 ajoute encore 30-40 %. Cependant, le coût d'un seul échec EMC (nouvelle version + nouveau test + retards) dépasse souvent la différence de coût pour toute une série de production.
Maintenir la continuité du plan de masse
La règle la plus importante pour la conception du plan de masse est le maintien de la continuité. Toute rupture, espace ou division dans le plan de masse force les courants de retour à faire un détour, créant de grandes surfaces de boucle qui rayonnent des EMI et dégradent l'intégrité du signal.
Pourquoi les plans de masse divisés échouent
La pratique de diviser les plans de masse en sections analogiques et numériques est l'un des mythes les plus persistants dans la conception PCB. Bien que l'intention - isoler les circuits numériques bruyants des circuits analogiques sensibles - soit valable, la mise en œuvre cause presque toujours plus de problèmes qu'elle n'en résout.
Voici pourquoi les plans de masse divisés échouent :
- Perturbation du chemin de retour - Lorsque les signaux doivent router à travers la division (ce qui est inévitable pour les connexions ADC/DAC), le courant de retour n'a pas de chemin direct. Il doit circuler autour de la division, créant une antenne en boucle massive.
- Effet d'antenne à fente - L'espace entre les plans divisés agit comme une antenne à fente, rayonnant efficacement aux fréquences où la longueur de la fente approche une demi-longueur d'onde.
- Impédance accrue - Le point de connexion étroit entre les plans divisés (s'il est connecté du tout) crée une impédance élevée à cet endroit, contrecarrant le but d'une masse à faible impédance.
Consensus de l'industrie
Les principaux fabricants de semi-conducteurs, notamment Analog Devices, Texas Instruments et Linear Technology (maintenant partie d'ADI), recommandent d'utiliser un plan de masse unique et solide pour la plupart des conceptions à signal mixte. Les divisions ne doivent être envisagées que pour les systèmes de très haute précision avec plusieurs bus numériques à courant élevé.
Discipline de routage sur la masse
Au lieu de diviser le plan de masse, obtenez une isolation analogique-numérique grâce à un placement et une discipline de routage minutieux des composants :
- Séparation physique - Placez les composants analogiques dans une zone, les numériques dans une autre, mais sur un plan de masse continu
- Router du bon côté - Gardez les signaux analogiques dans la section analogique, les signaux numériques dans la section numérique, sur toutes les couches
- Ne jamais traverser la frontière invisible - Imaginez une ligne entre les sections. Aucun signal ne devrait la traverser sauf les lignes de données ADC/DAC nécessaires
- Conscience du chemin de retour - Lorsque les signaux doivent se connecter entre les sections, assurez-vous que leur courant de retour reste dans la même section (utilisez des vias de masse à proximité)
Cette approche permet aux courants de retour de circuler naturellement sous leurs pistes de signal sans perturbation, tout en maintenant une isolation efficace entre les sections de circuit.
Couture de vias et connexions de masse
La couture de vias connecte les plans de masse sur différentes couches, créant une structure de masse tridimensionnelle. Lorsqu'elle est correctement effectuée, la couture de vias réduit les EMI, améliore les performances thermiques et maintient la continuité du chemin de retour.
Quand la couture de vias est requise
La couture de vias est essentielle dans ces situations :
- Autour des bords de la carte - Crée un périmètre de masse qui réduit le rayonnement des bords et fournit un chemin pour le courant ESD
- Autour des circuits sensibles - Forme une clôture de vias qui blinde les sections RF, oscillateurs et amplificateurs à gain élevé
- Entre plusieurs couches de masse - Garantit que tous les plans de masse sont au même potentiel
- Dans les remplissages de cuivre - Connecte les remplissages de masse de surface aux plans de masse internes
Directives d'espacement des vias
L'espacement entre les vias de couture dépend de votre fréquence de fonctionnement la plus élevée :
| Application | Fréquence | Espacement des vias |
|---|---|---|
| Numérique général | <100 MHz | 10-15 mm |
| Numérique haute vitesse | 100-500 MHz | 5-10 mm |
| RF (2,4 GHz) | 2,4 GHz | <3 mm (1/10 longueur d'onde) |
| Micro-ondes | >5 GHz | <1,5 mm |
La règle empirique : l'espacement des vias doit être inférieur à 1/10e de la longueur d'onde à votre fréquence d'intérêt la plus élevée. Cela fait apparaître la clôture de vias solide aux ondes électromagnétiques.
Vias de masse pour les transitions de couche
Lorsqu'une piste de signal change de couche à l'aide d'un via, son courant de retour doit également changer de couche. Cela nécessite un via de masse à proximité pour maintenir la continuité du chemin de retour.
Meilleure pratique
Placez un via de masse à 2-3 diamètres de via de chaque transition de via de signal. Pour les signaux haute vitesse (USB, Ethernet, DDR), placez des vias de masse des deux côtés du via de signal. Cela garantit que le courant de retour a un chemin immédiat pour suivre le signal vers la nouvelle couche.
Ne pas fournir de vias de chemin de retour force le courant de retour à trouver un autre chemin, circulant potentiellement à travers toute la carte pour atteindre la prochaine connexion de masse. Cela crée une grande surface de boucle et rayonne des EMI.
Conception de masse à signal mixte
Les cartes à signal mixte contenant à la fois des circuits analogiques et numériques présentent des défis de mise à la masse uniques. La clé est d'empêcher le bruit de commutation numérique de corrompre les mesures analogiques sensibles tout en maintenant des chemins de retour appropriés.
L'approche du plan de masse solide unique
Pour la plupart des conceptions à signal mixte avec un courant numérique faible à modéré (ADC/DAC unique avec microcontrôleur typique), la meilleure approche est un plan de masse unique et ininterrompu avec une disposition soigneuse :
- Garder les courants analogiques et numériques séparés par la disposition - Les courants de retour circulent naturellement sous leurs pistes de signal. Si vous gardez les signaux analogiques dans la zone analogique, leurs courants de retour y restent également.
- Point en étoile à l'ADC/DAC - Connectez les broches AGND et DGND au CI comme recommandé par le fabricant. Ne séparez pas ces connexions.
- Entrée d'alimentation en un seul point - Toute l'alimentation doit entrer dans la carte en un seul endroit, avec une régulation séparée pour les rails analogiques et numériques si nécessaire.
Stratégie de partitionnement des composants
La clé d'une conception à signal mixte réussie est le partitionnement des composants - organiser votre carte en régions distinctes sans diviser physiquement le plan de masse :
Région analogique
- Circuits de référence ADC/DAC
- Amplificateurs de précision
- Interfaces de capteurs
- Filtres analogiques
Région numérique
- Microcontrôleur
- Mémoire
- Interfaces de communication
- E/S numériques
Région d'alimentation
- Régulateurs à découpage
- MOSFETs de puissance
- Condensateurs en vrac
Gardez la région d'alimentation loin des circuits analogiques sensibles, car les régulateurs à découpage sont des sources EMI majeures. Les régions numériques et analogiques peuvent être adjacentes mais doivent avoir une frontière claire que les signaux ne traversent que lorsque nécessaire.
Quand la mise à la masse en étoile a du sens
La mise à la masse en étoile - connecter des régions de masse séparées à un seul point commun - n'est appropriée que dans des situations spécifiques :
- Analogique à très basse fréquence (<100 kHz) - Équipement audio, instrumentation de précision où le décalage DC compte
- Systèmes mixtes à haute puissance - Commandes de moteur partageant une carte avec de l'analogique sensible
- Systèmes galvaniquement isolés - Où l'isolation de sécurité nécessite des masses séparées
Avertissement
Si vous utilisez une mise à la masse en étoile, vous ne devez JAMAIS router de signaux à travers l'espace entre les régions de masse. La seule connexion entre les régions doit être par le point en étoile. Tout signal traversant crée une grande boucle EMI. C'est pourquoi la mise à la masse en étoile fonctionne rarement dans les conceptions à signal mixte modernes avec des interfaces haute vitesse.
Remplissage de cuivre et remplissage de masse
Les remplissages de cuivre (également appelés remplissages ou inondations de masse) remplissent les zones PCB inutilisées avec du cuivre connecté à la masse. Lorsqu'ils sont correctement effectués, ils améliorent les performances EMI et la dissipation thermique. Lorsqu'ils sont mal effectués, ils créent plus de problèmes qu'ils n'en résolvent.
Meilleures pratiques de remplissage de masse
- Toujours connecter les remplissages à la masse - Ne jamais laisser le cuivre flottant. Le cuivre flottant agit comme une antenne et peut coupler du bruit dans les signaux à proximité.
- Coudre les remplissages aux plans de masse - Utilisez des vias tous les 10-15 mm pour connecter les remplissages de surface aux plans de masse internes
- Maintenir un dégagement avec les signaux - Gardez au moins 2x la largeur de piste de dégagement entre le remplissage et les pistes de signal pour éviter le couplage capacitif
- Supprimer les petites îles isolées - Configurez votre outil EDA pour supprimer les îles de cuivre de moins de 1 mm carré (elles ne servent à rien et compliquent la fabrication)
Éviter les îles de cuivre flottantes
Le cuivre flottant - cuivre non connecté à aucun réseau - est un danger EMI important. Il peut :
- Coupler capacitivement le bruit entre les signaux
- Résonner à des fréquences spécifiques, amplifiant le bruit
- Agir comme une antenne, rayonnant ou recevant des interférences
Causes courantes de cuivre flottant :
- Îles de cuivre créées par le routage qui coupe une partie d'un remplissage
- Remplissages dans des zones sans connexion de via de masse
- Affectations de remplissage à réseau mal configurées
Astuce EasyEDA/KiCad
Exécutez une vérification DRC recherchant spécifiquement le cuivre non connecté. La plupart des outils EDA peuvent identifier les îles de cuivre flottantes. Dans EasyEDA, utilisez Conception > Vérifier DRC et recherchez les avertissements "Zone de cuivre non connectée". Supprimez ou connectez ces îles avant la fabrication.
Plans de masse pour conception haute vitesse
Les signaux haute vitesse (USB, HDMI, DDR, PCIe, Ethernet) ont des exigences strictes en matière de plan de masse. Le plan de masse n'est pas seulement un chemin de retour - c'est une partie intégrante de la ligne de transmission qui définit l'impédance et la qualité du signal.
Contrôle d'impédance avec référence de masse
Les lignes de transmission à impédance contrôlée nécessitent une référence de masse cohérente. L'impédance dépend de :
- Largeur de piste (W) - Des pistes plus larges ont une impédance plus faible
- Hauteur diélectrique (H) - Distance de la piste au plan de masse
- Constante diélectrique (Er) - Propriété du matériau, généralement 4,2-4,8 pour FR4
- Épaisseur du cuivre (T) - Généralement 1 oz (35 µm) ou 2 oz (70 µm)
| Interface | Single-Ended (ohm) | Différentiel (ohm) |
|---|---|---|
| USB 2.0 | - | 90 |
| USB 3.0 | - | 90 |
| HDMI | - | 100 |
| DDR4 | 40 | 80 |
| Ethernet (10/100) | - | 100 |
| Single-ended général | 50 | - |
Toute discontinuité dans le plan de masse sous une piste à impédance contrôlée crée une discontinuité d'impédance, provoquant des réflexions de signal et une qualité de signal dégradée. Même un petit espace peut provoquer un pic d'impédance de 10-20 %, dépassant la tolérance typique de +/-10 %.
Microstrip vs Stripline
Les deux types de lignes de transmission principaux ont des exigences différentes en matière de plan de masse :
Microstrip
- Signal sur couche externe
- Plan de masse sur couche interne adjacente
- Exposé à l'air (Er effectif plus faible)
- Plus facile à fabriquer
- Moins de blindage, plus d'EMI
Stripline
- Signal sur couche interne
- Plans de masse au-dessus ET en dessous
- Intégré dans le diélectrique
- Meilleur blindage, EMI plus faible
- Nécessite plus de couches
Pour de meilleures performances EMI, routez les signaux haute vitesse en striplines entre les plans de masse. Cela nécessite au moins une carte 6 couches. Si vous utilisez 4 couches, le microstrip sur la couche 1 avec masse sur la couche 2 est acceptable mais aura une EMI plus élevée.
Rebond de masse et atténuation SSN
Le rebond de masse se produit lorsque de nombreuses sorties commutent simultanément, provoquant des différences de tension transitoires entre la masse du CI et la masse du PCB. Le bruit de commutation simultané (SSN) est la manifestation au niveau du système de cet effet.
Le rebond de masse provoque :
- Fausses transitions logiques
- Erreurs de timing (violations de setup/hold)
- Jitter augmenté
- Rayonnement EMI
Stratégies d'atténuation :
- Condensateurs de découplage - Placez des condensateurs de 100 nF à moins de 3 mm de chaque broche d'alimentation. Ajoutez des condensateurs en vrac de 1-10 µF à proximité.
- Plusieurs broches de masse - Connectez chaque broche de masse directement au plan de masse. Ne jamais mettre en série les broches de masse.
- Commutation échelonnée - Si possible, décalez les temps de commutation de sortie d'au moins 1 ms pour réduire la demande de courant simultanée.
- Boîtiers à faible inductance - Les boîtiers BGA ont une inductance beaucoup plus faible que les QFP en raison de fils de liaison plus courts.
- Utiliser LVDS - La signalisation différentielle basse tension a un courant constant quelle que soit l'état logique, éliminant les transitoires de commutation.
Considérations thermiques
Les plans de masse servent de dissipateurs thermiques, diffusant l'énergie thermique à travers le PCB. Une conception thermique appropriée garantit que les composants restent dans la température de fonctionnement tout en maintenant les performances électriques.
Pads de relief thermique
Lorsque les pads de composants se connectent à de grands plans de cuivre, le plan agit comme un dissipateur thermique pendant le brasage, rendant difficile l'obtention de joints de soudure appropriés. Les pads de relief thermique résolvent ce problème en utilisant des rayons étroits pour connecter le pad au plan :
- Utiliser le relief thermique pour les pads traversants - Toutes les broches traversantes se connectant aux plans doivent utiliser le relief thermique
- Pads SMD : dépend de l'application - Pour la plupart des pads SMD, utilisez le relief thermique. Pour les pads à courant élevé nécessitant une faible résistance, utilisez des connexions solides.
- Les vias n'ont généralement pas besoin de relief thermique - Puisque les vias ne sont pas brasés, les connexions solides sont préférées pour une faible impédance
Paramètres typiques de relief thermique
- Largeur de rayon : 8-12 mil (0,2-0,3 mm)
- Nombre de rayons : 4 (espacés de 90 degrés)
- Largeur d'espace : 10-15 mil (0,25-0,4 mm)
- Diamètre antipad : Diamètre du pad + 2x espace
Vias thermiques vers les plans de masse
Les vias thermiques transfèrent la chaleur des pads thermiques des composants vers les plans de masse internes et le cuivre du côté opposé, améliorant considérablement les performances thermiques :
- Diamètre du via - 0,2-0,4 mm (8-16 mil). Plus petit pour les dispositions denses, plus grand pour un meilleur transfert thermique.
- Espacement des vias - 1-1,2 mm (40-48 mil) centre à centre pour éviter l'absorption de soudure pendant le refusion
- Quantité de vias - Pour un composant de 5W, utilisez au moins 4-6 vias de 0,3 mm de diamètre. Cela peut réduire les températures locales de 20 degrés C.
- Connexion - Les vias thermiques doivent se connecter aux plans de masse avec des connexions solides (pas de relief thermique) pour un meilleur transfert de chaleur
Exemple de calcul
Un via thermique avec un perçage de 0,3 mm, un placage de 1 oz (25 µm) a environ 70-100 degrés C/W de résistance thermique. Cinq de ces vias en parallèle fournissent environ 15-20 degrés C/W, permettant un transfert de chaleur efficace vers les plans internes.
Plans de masse pour RF et antennes
Les circuits RF et les antennes ont des exigences spécifiques en matière de plan de masse qui diffèrent des conceptions numériques standard. Le plan de masse n'est pas seulement une référence - c'est une partie de la structure rayonnante.
Exigences du plan de masse d'antenne
Pour les antennes monopole (comme les antennes à puce pour WiFi/Bluetooth), le plan de masse PCB agit comme le deuxième élément d'un dipôle. Un dimensionnement approprié du plan de masse est critique :
| Fréquence | Longueur d'onde | Taille min du plan de masse |
|---|---|---|
| 2,4 GHz (WiFi/BT) | 125 mm | 35 mm x 35 mm |
| 915 MHz (LoRa) | 328 mm | 82 mm x 82 mm |
| 433 MHz | 693 mm | 173 mm x 173 mm |
Le plan de masse doit s'étendre au moins 1/4 de longueur d'onde du point d'alimentation de l'antenne dans toutes les directions. Pour une antenne à puce 2,4 GHz, cela signifie au moins 35 mm de plan de masse solide derrière et à côté de l'antenne.
Zones d'exclusion RF
La zone directement sous et autour d'une antenne doit être exempte de cuivre sur toutes les couches :
- Sous l'antenne - Zone complètement sans cuivre sur toutes les couches. Pas de masse, pas d'alimentation, pas de pistes.
- Extrémités de l'antenne - Étendez la zone d'exclusion de 3-5 mm au-delà des bords de l'élément d'antenne
- Couture de vias - Placez des vias de couture le long du bord du plan de masse près de l'antenne, espacés de moins de 1/10 de longueur d'onde (environ 1,25 mm pour 2,4 GHz)
Erreur RF courante
Placer des composants, des pistes ou un remplissage de cuivre dans la zone d'exclusion de l'antenne est la première cause de mauvaises performances sans fil. Suivez toujours exactement les dimensions d'exclusion recommandées par le fabricant d'antenne. En cas de doute, agrandissez la zone d'exclusion.
Erreurs courantes de plan de masse
Évitez ces erreurs fréquentes de conception de plan de masse qui causent des échecs EMI et des problèmes d'intégrité du signal :
1. Router des signaux sur des espaces du plan de masse
Tout signal routé sur un espace force le courant de retour à faire un détour, créant une grande antenne en boucle. Même un petit espace peut provoquer un échec EMC.
2. Diviser les plans de masse pour l'isolation analogique/numérique
Cela aggrave presque toujours l'EMI. Utilisez le partitionnement et la discipline de routage au lieu de divisions physiques.
3. Laisser des îles de cuivre flottantes
Le cuivre non connecté agit comme une antenne. Soit connectez-le à la masse avec des vias, soit supprimez-le entièrement.
4. Vias de chemin de retour manquants aux transitions de couche
Chaque via de signal nécessite un via de masse à proximité pour le courant de retour. Placez les vias de masse à 2-3 diamètres de via des vias de signal.
5. Couture de vias insuffisante
Les remplissages de masse non cousus aux plans internes ne fournissent aucun avantage. Utilisez des vias tous les 10-15 mm (plus fréquemment pour RF).
6. Plan de masse sur la mauvaise couche dans l'empilement
La masse doit être sur la couche 2 (directement sous les signaux supérieurs), pas la couche 3. L'empilement Signal-Alimentation-Masse-Signal est problématique.
7. Mise en série des broches de masse du CI
Chaque broche de masse doit se connecter directement au plan de masse via son propre via. La mise en série augmente l'inductance et le rebond de masse.
8. Cuivre dans la zone d'exclusion de l'antenne
Tout cuivre sous ou immédiatement autour d'une antenne dégrade les performances. Suivez exactement les spécifications d'exclusion du fabricant.
Liste de vérification de conception du plan de masse
Utilisez cette liste de vérification pour vérifier votre conception de plan de masse avant d'envoyer pour fabrication :
Empilement des couches
- Plan de masse sur la couche 2 (adjacent à la couche de signal supérieure)
- L'empilement est symétrique (équilibré)
- Les plans d'alimentation et de masse sont étroitement espacés (pour la capacité)
- Toutes les couches de signal ont une référence de masse adjacente
Continuité
- Le plan de masse est continu (pas de divisions sauf si isolation galvanique requise)
- Aucun signal routé sur des espaces du plan de masse
- Pas d'îles de cuivre flottantes (tout le cuivre connecté ou supprimé)
Couture de vias
- Vias de masse placés près de tous les vias de signal (à 2-3 diamètres)
- Remplissages de masse cousus aux plans internes (tous les 10-15 mm)
- Le bord de la carte a une clôture de vias pour le confinement EMI
- Les sections RF ont une couture de vias dense (espacement 1/10 longueur d'onde)
Signaux haute vitesse
- Les pistes à impédance contrôlée ont une référence de masse continue
- Les paires différentielles ont de la masse entre elles et sur les côtés
- Les signaux haute vitesse ne traversent pas les divisions de plan
Intégrité de l'alimentation
- Chaque broche de masse du CI connectée directement au plan de masse
- Condensateurs de découplage à moins de 3 mm des broches d'alimentation du CI
- Vias de masse du condensateur de découplage adjacents au condensateur
Thermique
- Pads de relief thermique sur les connexions traversantes aux plans
- Vias thermiques sous les composants de puissance (4-6 minimum pour 5W+)
RF/Antenne (si applicable)
- Zone d'exclusion de l'antenne dégagée sur toutes les couches
- Le plan de masse s'étend à 1/4 de longueur d'onde de l'antenne
- Couture de vias au bord du plan de masse près de l'antenne
Conclusion
Le plan de masse est la fondation de chaque conception PCB réussie. Il fournit le chemin de retour pour tous les signaux, établit l'impédance pour les pistes haute vitesse, blinde contre les EMI et stabilise la distribution d'alimentation. Le réussir nécessite de comprendre comment les courants de retour circulent réellement - ils suivent le chemin de moindre inductance, pas la distance la plus courte.
Principes clés à retenir :
- Maintenir la continuité - Un plan de masse continu est presque toujours meilleur qu'un divisé. Utilisez la discipline de routage pour l'isolation, pas les espaces physiques.
- Penser en 3D - Utilisez la couture de vias pour connecter les plans de masse à travers les couches et maintenir les chemins de retour à travers les transitions de couches.
- Planifier votre empilement - La masse sur la couche 2 adjacente aux signaux supérieurs est critique. Envisagez 6+ couches pour les conceptions haute vitesse.
- Supporter chaque signal - Chaque piste a besoin d'une référence de masse en dessous. Pas d'exceptions pour les signaux haute vitesse.
En suivant les directives de cet article, vous créerez des cartes qui passent les tests EMC, maintiennent l'intégrité du signal et fonctionnent de manière fiable en production. Le temps investi dans une conception appropriée du plan de masse porte ses fruits en termes de débogage réduit, moins de nouvelles versions et de meilleures performances du produit.
Questions fréquemment posées
Dois-je utiliser un plan de masse sur une carte 2 couches ?
Oui, dédiez autant que possible la couche inférieure à la masse. Bien que vous ne puissiez pas obtenir un plan vraiment continu avec des signaux également sur cette couche, maximiser la couverture de masse améliore considérablement l'EMI. Utilisez également des remplissages de masse dans les zones inutilisées sur la couche supérieure, cousus à la masse inférieure si possible.
Quand dois-je diviser le plan de masse pour l'analogique et le numérique ?
Presque jamais. La meilleure pratique moderne consiste à utiliser un plan de masse solide unique avec un partitionnement et une discipline de routage minutieux des composants. Les plans divisés causent plus de problèmes EMI qu'ils n'en résolvent car les signaux doivent inévitablement traverser entre les sections. N'envisagez les divisions que pour l'analogique de précision à très basse fréquence (<100 kHz) ou lorsqu'une isolation galvanique est requise pour la sécurité.
De combien de vias ai-je besoin pour la couture de vias ?
Espacez les vias de couture à 10-15 mm pour les conceptions générales, 5-10 mm pour le numérique haute vitesse, et moins de 1/10e de longueur d'onde pour RF (environ 3 mm à 2,4 GHz). Plus de vias est généralement meilleur - le coût est minime par rapport aux avantages EMI.
Que se passe-t-il si je route un signal haute vitesse sur un espace dans le plan de masse ?
Le courant de retour doit contourner l'espace, créant une grande surface de boucle. Cela provoque une discontinuité d'impédance (réflexions de signal), une inductance de boucle accrue et un rayonnement EMI important. Un seul espace sous une piste USB ou Ethernet peut faire échouer la conception à la certification EMC.
Dois-je utiliser un relief thermique sur toutes les connexions de masse ?
Utilisez un relief thermique sur les pads traversants et les pads SMD qui seront brasés à la main. Pour les vias et les pads en assemblage par refusion uniquement, les connexions solides sont acceptables et offrent de meilleures performances électriques et thermiques. N'utilisez jamais de relief thermique sur les vias thermiques conçus pour le transfert de chaleur.
À quelle distance les condensateurs de découplage doivent-ils être des broches d'alimentation du CI ?
À moins de 3 mm pour les CI numériques standard, et aussi près que physiquement possible pour les CI haute vitesse. Le via de masse du condensateur doit être immédiatement adjacent au condensateur, pas à plusieurs millimètres de distance. La surface de boucle formée par la broche d'alimentation, le condensateur et le via de masse doit être minimisée.
Quelle est la taille minimale du plan de masse pour une antenne WiFi ?
Pour le WiFi/Bluetooth 2,4 GHz, le plan de masse doit s'étendre au moins 35 mm (environ 1/4 de longueur d'onde) de l'alimentation de l'antenne dans toutes les directions où la masse existe. Des plans de masse plus petits dégradent considérablement l'efficacité et la portée de l'antenne. La zone directement sous et autour de l'antenne (généralement 5-10 mm) doit être complètement exempte de cuivre.
Une carte 4 couches est-elle toujours meilleure qu'une 2 couches pour l'EMI ?
Généralement oui - une carte 4 couches avec plan de masse dédié a généralement 15 dB d'EMI en moins qu'une carte 2 couches. Cependant, l'amélioration dépend d'un empilement approprié (masse sur la couche 2) et de ne pas router sur des espaces de masse. Une carte 4 couches mal conçue avec routage de signal à travers le plan de masse peut être pire qu'une carte 2 couches bien conçue.