Conseil pour routage.

[activmaker]

Bonjour,
J'ai eu l'occasion de réaliser quelques PCB 4 Couches organisées comme cela

1) Signal
2) Gnd
3) +5V
4) Signal

Les couches 2 et 3 sont pleines, sans fente , juste avec des vias. Les signaux logiques étaient cadencés à environ 2Mhz, les temps de montées /descend des portes utilisés est >5ns . Cette organisation des couches à permis la suppression de la diaphonie et des overshoot observés sur un PCB équivalent en 2 couches.
OK, J'ai pensé que c'était LA solution pour le prochain PCB qui hébergera une mémoire SPI (5Mhz) + Quelques entrées/sorties. Mais :
Les sorties seront en 15V et composés des relais et des voyants .
Je pensais organiser le routage pour que les signaux 5V passent en couche 1 et les 15v en 4. Les composant 15V sera groupé sur le PCB à un endroit (Pas de mélange 5/15 ).
La question est , dois je garder un plan de masse commun pour le 5v et 15 V , ou bien dois je les séparer ? Le plan 3 (Power) sera séparé avec deux zones bien distinctes . Si 2 zones pour le GND , à quelle endroit les rejoindre, sachant que le 5 et le 15 sont fournis par une seule alimentation ?.

D'avance merci.
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[Vincent PETIT]

Salut,
Il y a eu beaucoup de discussions sur ce sujet mais pour faire court.

Tu peux te passer d'un plan VCC, le plan 0V lui est très important. Si tu sépares les masses +15V et +5V alors qu'il y a ne serait ce qu'une seule connexion entre les deux alors tu as créé une boucle de masse (donc une antenne à boucle). Le secret d'un bon routage c'est le placement. Pour citer un contre exemple assez parlant, si tu as placé en sandwich la partie analogique entre la partie alimentation et la partie numérique alors c'est le pire des cas. Il y a un raisonnement à avoir sur ce point.

A+

[activmaker]

Re,

Il y a eu beaucoup de discussions sur ce sujet mais pour faire court.

Oui, effectivement c'est d'ailleurs celle ci qui m' a fait réfléchir. C'est pour cette raison que je pensais partir vers une solution proche de celle proposé par Quentin .
En lisant la réponse #9 , j'ai cru comprendre qu'il ne fallait PAS séparer les plans de masse , ce que tu confirmes aussi ici..
Je reprends une phrase de cette discussion.

Il faut faire attention au crosstalk c'est à dire au couplage capacitif et ou inductif entre les pistes, mais vu les fréquences en jeu ici il n'y aura pas de problème

A partir de quelle fréquence le crosstallk devient vraiment poblèmatique ?

Tu peux te passer d'un plan VCC

Je mettais rendu compte que le routage avec un plan VCC était beaucoup plus simple quand le nombre de composant devient important. J'ai fait une petite carte 4 couches avec une MCU LQFP 144 , car router toutes les capas de découplages, quartz et filtre d'alim et différentes tension , c'est pas simple en 2 couches. Cela étant avoir un plan VCC améliore t'il quelque chose ou ne sert t'il vraiment à rien ?

Je viens de penser à une nouvelle question : Les over/under shoot sont liés directement à une mauvaise adaptation d'impédance , si je ne me trompe. Cette impédance est quand à elle liée à la largeur de piste ainsi que le diélectrique présent entre la couche signal et la couche 0V (pour faire simple) . Dans une configuration en couche telle que je l'ai décrite , les signaux en couche 4 sont plus éloignées du plan 0 que ceux de la couche 1. Cela signifie t'il que les pistes couche 4 doivent avoir une largeur différente de ceux de la couche 1 pour compenser la distance avec le plan 0 ?

[Vincent PETIT]

En lisant la réponse #9 , j'ai cru comprendre qu'il ne fallait PAS séparer les plans de masse , ce que tu confirmes aussi ici.

Si on le fait, on créait une boucle de masse ci tôt qu'il y aura une liaison entre le +15V vers le +5V. Par contre s'il n'y a pas de liaison directe (optocoupleur, transformateur, ...) là c'est ok ! Il suffit généralement de s'imaginer le chemin de retour du courant (la loi des noeuds) pour comprendre qu'on créait une boucle de masse.

A partir de quelle fréquence le crosstallk devient vraiment poblèmatique ?

Ce n'est pas lié qu'à la fréquence mais aussi à la rapidité de variation des fronts montants ou descendants. Dans le problème de Quentin, j'ai dit que "la fréquence enjeu n'était pas problématique" car il s'agissait d'un signal analogique, après son filtre passe bas, sans fronts raides et à une fréquence basse. J'avais répondu pour son cas à lui.

Pour être plus générique, le crosstalk (diaphonie) est lié à des variations rapides soit de courant, ce qui engendrera un crosstalk par couplage inductif, soit de tension, ce qui engendrera un crosstalk par couplage capacitif. Sur de l'électronique hors puissance on est principalement embêté par le couplage capacitif qui n'est autre qu'un condensateur parasite piste à piste ou piste à environnement. Comme tout condensateur son impédance va baisser soit avec la variation d'une de ses armatures soit avec la fréquence globale du signal et il transportera plus facilement la perturbation.

Il n'y a pas vraiment de règle ou de valeur de fréquence à partir de la quelle ça devient problématique ça dépend aussi et surtout de ton électronique et de ton routage. Trois exemples :

- Si tu as un signal d'horloge rapide en parallèle d'un signal analogique haute impédance (très peu de courant qui irait vers l'entrée d'un AOP) et sur une bonne longueur, tu vas retrouver un peu de ton horloge dans le signal analogique puisque les deux pistes vont former les armatures d'un condensateur parasite.
- Si maintenant, et sans changer de fréquence, dans ta CAO tu routes l'horloge en horizontale et le signal analogique en verticale, alors le condensateur parasite que tu vas former sera bien plus petit, juste au croisement entre la piste horizontale et celle verticale.
- Toujours sans changer de fréquence, il suffira d'éloigner les deux pistes même en les laissant en parallèle pour diminuer l'efficacité du condensateur parasite piste-piste.

Certains microcontrôleurs, ARM par exemple, permettent de faire varier le slewrate (le temps de monté et de descente des signaux) ce qui peut aider à maîtriser le couplage capacitif.

Je mettais rendu compte que le routage avec un plan VCC était beaucoup plus simple quand le nombre de composant devient important. J'ai fait une petite carte 4 couches avec une MCU LQFP 144 , car router toutes les capas de découplages, quartz et filtre d'alim et différentes tension , c'est pas simple en 2 couches. Cela étant avoir un plan VCC améliore t'il quelque chose ou ne sert t'il vraiment à rien ?

Pour moi le 2 couches c'est ce qui a de plus compliquer à router. Je ne dirai pas que ça ne sert a rien car ça aide au routage en effet et un plan de cuivre, VCC ou GND, joue aussi le rôle d'écran contre les perturbations électromagnétiques rayonnées mais deux plans de cuivre créaient aussi un condensateur parasite.

Je viens de penser à une nouvelle question : Les over/under shoot sont liés directement à une mauvaise adaptation d'impédance , si je ne me trompe. Cette impédance est quand à elle liée à la largeur de piste ainsi que le diélectrique présent entre la couche signal et la couche 0V (pour faire simple) . Dans une configuration en couche telle que je l'ai décrite , les signaux en couche 4 sont plus éloignées du plan 0 que ceux de la couche 1. Cela signifie t'il que les pistes couche 4 doivent avoir une largeur différente de ceux de la couche 1 pour compenser la distance avec le plan 0 ?

Il y a beaucoup de réponses possibles ici mais en effet les problèmes d'adaptation d'impédance ont pour conséquence de la réflexion qui peut se superposer au signal incident, tous les phénomènes de résonances peuvent aussi générer de l'oscillation, dans les AOP c'est parfois la capacité de l'entrée qui créé un retard dans la contre réaction et provoque du ringing. Il y a plusieurs causes possibles.

C'est difficile de répondre mais de manière générale les pistes à impédances contrôlées (de largeurs calculées en fonction des paramètres du PCB) s'utilisent soit quand la longueur d'onde du signal n'est plus négligeable par rapport aux longueurs des pistes (radiofréquence), soit quand ce sont les câbles qui sont très longs au quel cas c'est cette longueur qui n'est plus négligeable par rapport à la longueur d'onde du signal (bus CAN, RS485 etc...)

Par contre l'empilement des couches peut avoir une influence car les signaux sensibles ont tout intérêt d'être le plus proche possible de la masse mais il y a toutes sortes de parades... On pourrait en dire beaucoup aussi là dessus.



ps : un très bon document de Schneider qui parle de ces sujets http://genelec.santonum.free.fr/_fic...neider-CEM.pdf

[A voir en vidéo sur Futura]

[activmaker]

Hello,

Un grand merci d'avoir pris le temps de faire une réponse étoffée, claire et précise. C'est très apprécié. J'ai commencé la lecture venant de Schneider, très intéressant et adapté à mon niveau

Certains microcontrôleurs, ARM par exemple, permettent de faire varier le slewrate (le temps de monté et de descente des signaux) ce qui peut aider à maîtriser le couplage capacitif.

J'utilise des µc microchip ARM cortex M3, j'ai pas vu des tels possibilités, fais tu référence à ceux ST , je crois que le I/O peuvent être configurés pour s'adapter à différentes vitesses, mais j'ai pas plus étudié la question.