Plan de masse dans la conception de circuits imprimés : définition, objectif et meilleures pratiques

Dans la conception moderne des circuits imprimés, Pour un fonctionnement fluide de vos circuits, avec des signaux stables et un minimum d'interférences, il est essentiel d'intégrer un plan de masse bien conçu. Il agit comme la « fondation » du circuit imprimé, permettant aux signaux de retrouver un chemin de retour clair et de réduire le bruit.

Qu'il s'agisse de circuits numériques à haut débit ou de produits radiofréquence (RF), une conception de plan de masse PCB fiable peut considérablement améliorer les performances et la fiabilité du système.

Cet article explique ce qu'est un plan de masse, quelle est sa fonction, en quoi il diffère du plan d'alimentation et comment créer une excellente conception de plan de masse.

Qu'est-ce qu'un plan de masse ?

Un plan de masse désigne une couche de cuivre entière déposée sur le circuit imprimé, dont la fonction principale est de fournir un chemin de retour stable et à faible impédance pour le courant. On peut le considérer comme la « masse » du circuit imprimé. Une fois tous les signaux transmis, ils doivent tous revenir par le circuit. C'est la question que l'on se pose souvent : « Qu'est-ce qu'un plan de masse ? »

Le plan de masse du circuit imprimé est généralement placé sur la couche interne ou supérieure du circuit imprimé, ce qui permet de réduire efficacement les interférences électromagnétiques (IEM), d'éviter les boucles de masse et de stabiliser la tension dans l'ensemble du circuit. Ceci est particulièrement important pour les signaux à haut débit et les circuits radiofréquence (RF), comme dans les zones de mise à la terre des antennes.

Plans de masse : pourquoi en avez-vous besoin ?

Dans la conception de circuits imprimés, le plan de masse est non seulement une couche structurelle, mais aussi un élément clé pour garantir la stabilité des performances du circuit. Un plan de masse bien conçu peut améliorer les performances électriques du circuit imprimé de multiples façons, notamment les suivantes :

Suppression des interférences électromagnétiques (EMI)

Un plan de masse continu protège la carte des sources de bruit externes et réduit les émissions électromagnétiques. L'optimisation de la conception du plan de masse permet d'améliorer efficacement les performances CEM du produit et de répondre aux exigences réglementaires.

Fournir un chemin de retour à faible impédance

Lors de la transmission de signaux à haut débit, le courant de retour doit retourner à la source. Le plan de masse fournit un chemin de retour de courant avec l'impédance la plus courte et la plus faible pour ces signaux, réduisant ainsi la réflexion, la diaphonie et la gigue, et améliorant l'intégrité du signal.

Référence de tension stabilisatrice

Le plan de masse sert de référence de tension commune à l'ensemble du système. Il permet de réduire les erreurs dues aux fluctuations du potentiel de masse et d'améliorer la stabilité des circuits analogiques et numériques, ce qui est particulièrement important dans les configurations à alimentations multiples ou à sous-systèmes multiples.

Prise en charge des applications de signaux RF et à haut débit

En conception RF, le plan de masse fonctionne avec les traces de signal pour former des structures microrubans ou striplines, essentielles au contrôle de l'impédance et au blindage du signal. En particulier dans la zone de masse de l'antenne, une couche de masse continue et complète est indispensable pour garantir les performances RF.

Simplification du routage et de la conception structurelle

Grâce à une disposition raisonnable du plan de masse du PCB, l'efficacité du routage des cartes multicouches peut être améliorée, l'appariement des signaux et des chemins de retour peut être simplifié et la complexité de la conception peut être réduite.

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Exploration des types de plans de masse de circuits imprimés

La structure des plans de masse varie en fonction de la complexité de conception du circuit imprimé, de la fréquence du signal et des exigences de performance. Les configurations courantes des plans de masse des circuits imprimés sont les suivantes :

Plan de masse monocouche :

Les plans de masse monocouches sont généralement utilisés dans les circuits imprimés à structure simple ou à faibles fréquences de signal. Ce type de plan de masse est généralement situé sur la couche supérieure ou inférieure du circuit imprimé et sert principalement à fournir un chemin de retour de base et une capacité anti-interférence minimale.

Bien que la disposition de la masse monocouche soit relativement simple et moins coûteuse, elle est sujette à des problèmes tels que l'interruption du chemin de retour et l'augmentation des interférences électromagnétiques dans les signaux à haut débit ou les configurations à routage dense. Par conséquent, elle n'est pas adaptée aux conceptions exigeant une intégrité du signal élevée.

Plan de masse à double couche

Les plans de masse double couche sont fréquemment utilisés dans les circuits imprimés à deux couches. Ils peuvent être placés respectivement sur les faces supérieure et inférieure, offrant un routage du signal plus flexible et un meilleur contrôle des courants de retour haute fréquence.

Comparé aux plans de masse monocouches, ce type de conception est plus stable, protège mieux du bruit et réduit la diaphonie. Il s'agit d'une solution économique entre l'entrée de gamme et la haute performance.

Plan de masse multicouche pour PCB

Pour les systèmes numériques, RF ou multipuces complexes à haut débit, des plans de masse multicouches sont généralement nécessaires. Cette structure répartit le plan de masse et le plan d'alimentation sur différentes couches internes pour former un plan de référence stable, améliorant ainsi l'intégrité du signal et réduisant les émissions électromagnétiques.

Les cartes multicouches peuvent également prendre en sandwich des traces de signaux à grande vitesse entre deux couches de plan de masse pour former des structures microruban ou stripline, ce qui améliore considérablement le contrôle de l'impédance et les capacités d'isolation du signal.

Comment optimiser la disposition de votre plan de masse

Pour obtenir une conception de plan de masse efficace et fiable, il est important de prêter attention aux points suivants lors de la conception du PCB :

1. Maintenir le plan de masse continu

Le plan de masse doit être aussi complet et ininterrompu que possible. Évitez les divisions, fentes ou coupures inutiles. Si le plan de masse est divisé, le chemin de retour des signaux devient plus long et plus complexe, ce qui peut entraîner une impédance instable et une augmentation des interférences électromagnétiques. Dans les conceptions haut débit et RF, un plan de masse continu du circuit imprimé est essentiel pour maintenir l'intégrité du signal.

2. Utiliser des vias pour connecter les couches de terre

Dans les conceptions de circuits imprimés multicouches, les plans de masse des différentes couches doivent être connectés par de nombreux vias de masse. Cela permet de former un réseau de retour unifié à faible impédance, de réduire les différences de tension entre les couches et d'améliorer l'immunité au bruit.

3. Isoler les sources de bruit des signaux sensibles

Les composants haute fréquence ou à courant élevé (tels que les convertisseurs CC/CC, les inductances et les quartz) doivent être placés à l'écart des lignes de signaux analogiques ou des circuits numériques à faible bruit. Sur le plan de masse, ces zones bruyantes doivent être séparées ou espacées des zones sensibles afin d'éviter les interférences.

4. Placez les condensateurs de découplage à proximité des broches d'alimentation et connectez-les à la terre

Chaque puce doit être équipée de condensateurs de découplage placés au plus près de ses broches d'alimentation. La masse du condensateur doit être directement connectée au plan de masse. Cela permet de supprimer rapidement le bruit d'alimentation haute fréquence et d'éviter sa propagation sur la carte.

Conception de masse et multicouche d'antenne

Dans les applications RF, notamment pour les circuits imprimés intégrant des communications sans fil, des antennes BLE, Wi-Fi ou cellulaires, l'intégrité de la masse de l'antenne est primordiale. Un circuit imprimé multicouche peut fournir un plan de masse continu, solide et à faible bruit sous l'antenne, ce qui permet d'obtenir les meilleures performances de transmission et de réception du signal.

Par conséquent, pour les produits nécessitant de fortes performances RF, l'utilisation d'un plan de masse PCB multicouche est presque toujours nécessaire.

Plan de masse vs plan d'alimentation

Le plan d'alimentation est une couche de cuivre dédiée au circuit imprimé qui alimente le circuit imprimé. Contrairement aux pistes de signal qui véhiculent les données, le plan d'alimentation sert à distribuer la tension de manière stable, rapide et à faible impédance à chaque composant de la carte. Son rôle est de garantir que tous les composants reçoivent une alimentation fiable, sans chute de tension ni interférence.

Un plan de masse est souvent confondu avec un plan d'alimentation, mais ils remplissent des fonctions différentes :

Le plan de masse et le plan d'alimentation doivent être maintenus solides et soigneusement planifiés pour éviter le couplage de bruit et assurer un fonctionnement stable.

Conclusion

Un plan de masse bien conçu est essentiel à la stabilité et à la résistance aux interférences d'un circuit imprimé. Que vous travailliez sur des circuits analogiques, de la logique numérique ou des circuits RF sans fil, en suivant les principes de conception d'un plan de masse approprié, vous obtiendrez des signaux plus clairs, moins de bruit et des performances système plus stables.