S’appuyer sur des bases solides est un des fils conducteur de la littérature, poésie et des paraboles. Sans base solide, quelle que soit la construction, cela sera voué à l’échec.Cela vaut aussi pour l'éducation, la carrière professionnelle, les relations avec les autres.

La vieille parabole qui veut qu’une personne imprudente ayant construit sa maison sur du sable la voit s’écrouler peu après s’applique aussi au cas qui nous intéresse ici : la conception d’une carte électronique.

Les cartes électroniques possèdent elles aussi leurs fondations qui sont les couches et les matériaux qui les composent et ces matériaux sont configurés dans l’empilage  des couches. D’autres fondations importantes sont les plans de masse dessinés et intégrés dans l’empilage.

Et si un plan de masse n’est pas conçu avec une attention particulière, la carte ne fonctionnera pas comme prévu, toutes sortes de bruits et d’interférences pourraient apparaître. 

Jetons un coup d'œil à ce qu'est un plan de masse d’un PCB, et nous vous livrons quelques conseils pour vous assurer qu'il est bien conçu. 

Pourquoi le plan de masse PCB est-il important ?

Le plan de masse sur une carte de circuit imprimé est généralement une grande zone de cuivre connectée à la masse. Cette zone de cuivre peut couvrir une petite zone, ou la carte entière dans une conception multicouche. Suivant les besoins de la conception, cette zone peut occuper plusieurs couches.

Le plan de masse remplit trois fonctions importantes dans une carte de circuit imprimé :

Retour de tension : la plupart des composants de la carte sont connectés à l’alimentation, puis la tension de retour revient à travers la masse électrique. Sur les cartes à une ou deux couches, les masses sont acheminées à l'aide de pistes plus larges. Dans le cas d’une carte multicouches, dédier une couche entière au plan de masse, permet de simplifier la connexion de chaque composant à la masse.

Retour de signal : les signaux classiques doivent également revenir à la masse, et dans le cas des cartes high-speed, il est très important qu'ils empruntent un chemin clair et le plus directe possible vers la masse. Sans ce retour clair, ces signaux peuvent générer beaucoup d'interférences sur l’ensemble ou partie du PCB.

Réduire le bruit et les interférences : avec l’augmentation de la vitesse des signaux, les changements d'états augmentent sur les circuits numériques. Cela engendre des pics de bruit sur la masse, qui peuvent affecter d'autres parties du circuit. Un grand plan de masse permet de réduire les perturbations en diminuant l’impédance plus qu’une piste d’alimentation pourrait le faire.

En distribuant soigneusement les couches dans la carte, le concepteur de PCB peut utiliser des plans de masse pour améliorer et contrôler les performances électriques de la carte plus sûrement. L’utilisation d’un plan de masse entre deux couches de signaux actifs permet d’éliminer la diaphonie entre les signaux de ces couches. Et en s'assurant qu'il existe un chemin de retour pour le signal le plus directe possible sur le plan de masse, l'intégrité du signal des lignes de transmission high-speed peut être améliorée. Les plans de masse sont également souvent connectés à des composants qui deviennent chauds afin d'aider à dissiper la chaleur.

 

Exemples de freins thermique dans un plan de masse

Points à connaître pour construire votre plan d'alimentation ou de masse

Comme nous l’expliquions plus haut, un plan de masse peut être une zone de cuivre spécifique sur une couche, ou bien une couche entière. La manière de procéder dépend de votre besoin et de votre outil de CAO PCB. 

La plupart des outils de conception permettent de créer un plan de masse qui s’affiche comme une zone de cuivre, et vous pouvez tracer des pistes vers le plan de masse, qu'il soit de masse, d’alimentation ou autre. 

Auparavant les outils de CAO représentaient souvent les plans de masse en négatif car cela nécessitait moins de puissance de calcul. Aujourd’hui les concepteurs préfèrent dessiner des plans de cuivre en affichage normal car les machines disposent des capacités de calcul nécessaires.

Le concepteur de circuits PCB dessine la zone du plan de puissance ou de masse sur la couche désignée, selon la forme souhaitée. S’il s’agit d’une couche intérieure de la carte, le plan de masse occupe généralement la couche entière. S’il s’agit d’une couche extérieure, ce sont souvent des zones plus petites dédiées à des composants spécifiques ou à un groupe de composants. 

Dans certains cas, le concepteur peut créer un plan de masse sur une portion de couche intérieure, notamment pour réduire le nombre de couches à fabriquer. Cependant, pour améliorer l’intégrité du signal et éliminer le bruit et les interférences, le plan de masse est, le plus souvent, une couche complète.

Lorsque vous avez dessiné le plan de masse, votre outil de CAO crée automatiquement une connexion pour les broches des composants concernées par l’équipotentielle du plan. Cette connexion peut être un frein thermique, soit une connexion directe. Les freins thermiques sont des vides dans le plan autour de la pastille ou du trou utilisé pour une pastille traversante qui sont connectées par des bouts de pistes au plan. Sans frein thermique, la broche traversante serait directement connectée à la masse, et la dissipation thermique générée ici rendrait la soudure difficile. Avec le frein, le composants peut être soudé et dessoudé beaucoup plus facilement. Tous les autres type de trous, tels que les vias, auront normalement une connexion directe avec le plan de masse.

 

Les freins thermiques sur le plan de masse peuvent être paramétrés dans OrCAD PCB Designer

Comment créer efficacement un plan de masse avec vos outils de conception de PCB 

Points clés

Pour créer un plan de masse optimal dans votre circuit imprimé, le point clé, c’est de paramétrer votre outil  PCB à votre besoin. 

Assurez-vous de pouvoir paramétrer vos règles et les contraintes de conception avant de commencer à travailler avec des couches de cuivre. La plupart des systèmes de CAO vous permettent de configurer les paramètres de connexion en fonction de l’équipotentielle et de la couche où la connexion est établie. Les systèmes de conception PCB vous offrent également une grande flexibilité pour définir les types d’isolation à respecter. Cela sera très utile lorsque vous créerez vos plans de masse car les outils feront ensuite tout le travail à votre place, il vous suffira de préciser où créer le plan.

Ce qui peut vous aider également lorsque vous travaillez avec des plans de masse, c’est de bien vérifier au préalable que l’empilage de votre carte est configuré selon votre besoin. Une fois cet empilement décidé, vous n'aurez plus à vous soucier d’éventuelles modifications d’emplacement des couches de routage et des plans d'alimentations pendant la conception.

Pour tirer le meilleur parti des capacités décrites précédemment de vos outils, vous devez travailler avec des outils de conception de CAO, qui possèdent les meilleurs outils de création de plans. Heureusement, ces outils sont déjà disponibles chez Cadence. OrCAD PCB Designer possède les fonctionnalités de création de plan de masse, efficaces et simples d’utilisation. 

OrCAD PCB Designer dispose également d'un ensemble complet de règles de conception, de contraintes et de paramètres dynamiques afin que vous puissiez configurer votre conception dans les meilleures conditions possibles, et faciliter l’utilisation des plans de masse dans vos projets PCB.

Si vous souhaitez en savoir plus sur la manière dont Cadence a la solution pour vous,
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source : https://resources.orcad.com/orcad-blog/2020-the-pcb-ground-plane-and-how-it-is-used-in-your-design

A propos de l'auteur

Les solutions de PCB Cadence proposent une gamme complète d’outils de conception de cartes et d’ICs (front-to-back flow), pour permettre la création rapide et efficace de produits électroniques. Cadence permet aux utilisateurs de raccourcir avec précision les cycles de conception pour passer à la fabrication grâce à la norme industrielle IPC-2581