Plan de masse - PCB

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Auteur du sujet

Bonjour,

j’ai essayé de comprendre pourquoi c’était si courrant de voir des "ground planes" (je ne sais pas si ma traduction est correcte) sur les circuits imprimés, j’ai trouvé quelques explications que je n’ai pas bien comprises.

Quelqu’un pourrait-il me réexpliquer ?

Merci !

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Si je me souviens bien de tout, les principales raisons sont :

  • Moins de bruit
  • Meilleure diffusion de la chaleur
  • Chemins de retour pour tout ce qui est dans tes circuits
  • Séparer deux plans et éviter le crosstalk
  • Avoir une petite capacité très rapide dans ton circuit qui peut endiguer les micro fluctuations de courant
  • Démarrer correctement un rituel de magie vaudou sur son circuit

Je peux très largement me tromper vu mon expérience là dedans, donc je veux bien des retours sur ce que tu penses en avoir compris :)

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J’ajouterais que c’est courant d’avoir des plans de tension en général, par exemple sur une carte mère d’ordinateur, on pourrait avoir 5V, 3.3V, 1.8V, etc ainsi que de multiples plans GND. Quand on a 16, 24 couches de circuits, ça devient pertinent d’en dédier à l’alimentation sur les couches extérieures, et de garder les signaux enfermés dans ces enveloppes qui servent de blindage.

Concrètement c’est juste pratique à tous les niveaux.

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Si je me souviens bien de tout, les principales raisons sont :

  • Moins de bruit
  • Meilleure diffusion de la chaleur
  • Chemins de retour pour tout ce qui est dans tes circuits
  • Séparer deux plans et éviter le crosstalk
  • Avoir une petite capacité très rapide dans ton circuit qui peut endiguer les micro fluctuations de courant
  • Démarrer correctement un rituel de magie vaudou sur son circuit

Je peux très largement me tromper vu mon expérience là dedans, donc je veux bien des retours sur ce que tu penses en avoir compris :)

unidan

Pour compléter un peu plus :

Tout signal ou toute tension d’alimentation (c’est la même chose, un signal électrique), a un pôle positif et un pôle négatif. Donc le signal parcourra deux fois la distance entre l’émetteur et le récepteur.

Il faut donc toujours penser au chemin retour d’un signal. Utiliser simplement des pistes fait que si la piste de masse ne suit pas le même chemin que le signal on créé des boucles et de ce fait des émission électromagnétiques (CEM).

L’utilisation d’un plan de masse permet de ne pas se soucier du chemin retour sauf les cas particuliers où le signal traverse un trou dans le plan de masse.

Le courant est très fainéant et il prend le chemin le plus facile, c’est-à-dire celui qui lui oppose le moins de résistance. Plus une piste/plan est large et plus sa résistance est faible (je ne parle pas de l’impédance mais bien de la résistance), c’est pour cela que l’on utilise des plan de masse et des plans d’alimentations.
Comme on parle de résistance, la loi d’Ohm s’applique et plus un plan d’alimentation est large plus sa résistance est faible et moins on a de chute de tension (U = R*I).
Les processeurs sont aujourd’hui alimentés en 1V avec une marge de 5% ce qui fait 0.95V - 1.05V. Quand on passe 10A, diminuer la résistance du plan de 1mOhm permet d’éviter une chute de tension de 10 mV !

Concernant le fait d’utiliser un plan de masse avec un plan d’alimentation pour servir de condensateurs, ça se fait fait cela dépend de l’empilage des couches.
Il faut savoir qu’un PCB est fait d’un empilage de couches de cuivres et de diélectrique (isolant imparfait, pour faire simple) or un condensateur est lui aussi fait de deux couches conductrices séparées par un diélectrique.
Etant donné que l’on est pas dans un processus optimisé de fabrication d’un condensateur, rapprocher deux plans d’alimentation et de masse permet de créé un condensateur de faible valeur permettant de servir de découplage haute fréquence du fait de la faible valeur (on est en dizaine/centaine de picofarads). Là encore c’est utilisé principalement pour des cartes avancées et c’est plus du "bonus" qu’une utilisation en remplacement de condensateurs.

Enfin sur les cartes high-speed on utilise des pistes à impédance contrôlées (les single en 50Ohms en général et les paires différentielles entre 80 et 100 Ohms).
L’impédance de calculant par la distance de la piste à un plan de référence (de préférence la masse mais ça peut aussi être un plan d’alimentation si nécessaire), il est plus simple de faire des plans.

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Auteur du sujet

Bonjour,

ma principale source de réponse était cette question sur Quora.

Si j’ai bien compris, l’intérêt est :

  • une habitude qui facilite le design (je ne vois pas exactement pour quoi, vu que la surface doit être dessiné après le reste, c’est aussi simple que de faire des routes là où c’est possible, même si j’imagine que je me trompe)

  • de constituer une minie capacité, mais s’il faut, pourquoi ne pas juste mettre un condensateur ? (guess : moins cher)

  • éviter les "grounds loops" (là encore, je ke vois pas comment, mais ça l’air une bonne raison)

  • agir comme bouclier EMF (comme le ferait une cage de Faraday, c’est ça ?)

Merci

EDIT : Mince, je viens de voir la réponse de zeql qui répond à quasiment tout. Merci !

EDIT AJOUT : Donc si je comprends bien, un plan de masse est aussi important qu’un plan de tension.

Et comment ça se fait que le plan de masse permette d’éviter les boucles ?

Quelle différence entre une boucle de masse et bêtement une boucle entre la piste du Vcc et celle de la masse du composant ?

Édité par jtruc34

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Imaginons un circuit simple couche avec une piste de signal et une piste de masse reliant deux composants, en jaune la boucle de courant. Il faut bien comprendre que du fait qu’il y a un courant qui circule, un champ magnétique se créé et pour faire simple, c’est le début des emmerdes :)

Boucle courant simple couche

Maintenant prenons un circuit double couche avec un plan de masse et notre même signal. On change de perspective :

Boucle courant plan de masse

Tu peux me rétorquer que l’on pourrait faire suivre la piste de masse le long du signal. Oui c’est tout à fait possible. Mais là on a un signal.

Voici une carte que j’ai fait, regarde le nombre de composants, et rends-toi compte de la place et de la complexité de mettre une piste de masse à côté de chaque signal !

Carte perso

C’est une carte 4 couches avec principalement la couche TOP utilisée, le bottom n’est utilisée que parce que je ne peux pas passer certains signaux donc ça me sert de couche de "strap". La couche interne 1 est un plan de masse et la couche 2 principalement de la masse et le passage de plan d’alimentation. Bon toute cette masse n’est pas inutile car dans mon cas j’ai un contrôle moteur donc ça chauffe.

Bonne chance comme qui dirait ! :)

Enfin une énième raison des plans de masse c’est qu’en soit ça ne fait pas de mal et que pour des raisons de fabrication tu ne peux pas avoir des couches internes avec très peu de cuivre, sinon tu provoque un déséquilibre dans l’épaisseur et ton PCB ne sera pas droit. Donc si une couche est vide, le fabricant te demandera de rajouter des zones de cuivres non connectées, mais tant qu’à faire autant faire un plan de masse.
De plus pour des raisons économiques, le retrait du cuivre se fait avec des produits chimique, le cuivre va se méler à la solution, mais à force de retirer du cuivre la solution sature et devient inefficace, il faut la remplacer. Retirer trop de cuivre pourra amener un surcoût car le fabricant considère que ça ne rentre pas dans un processus normal de fabrication.

Édité par zeqL

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Auteur du sujet

D’accord, ça m’éclaire bien. Mais donc, ce que tu décris dans la première partie plaide surtout en faveur du plan de masse sur une couche séparée, non ?

Ça n’a pas vraiment l’air plus complexe d’alimenter chaque composant avec deux pistes les plus proches possibles que de faire passer le plan de masse partout où il faut (à moins que ça permette de faire des chemins virtuels que le courant empruntera spontanément, qui seront mécaniquement les plus courts et que l’on aura de toute façon pas prévus)

Merci beaucoup

Édité par jtruc34

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Oui mais un circuit double couche avec un plan de masse devrait être la base, sauf petits montages.
Si tu prends la carte que je montre, si tu la considère comme une carte à une couche, les lignes au milieu de la carte n’ont pas de plan de masse à côté, donc ça ne fonctionne pas.

Le plan de masse se fait sur un couche dédiée, normalement cette couche n’est qu’un plan de masse. Tu relie toutes les pins de masse avec un via ou plusieurs. Donc c’est simple à mettre en place et ça décomplexifie un peu le routage car tu n’as pas à router des pistes de masse.

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Auteur du sujet

Je reviens ici mille ans après, mais en fait, outre le fait que tant qu’à remplir de cuivre, autant le faire, je ne vois pas, comme le routage de la masse et généralement faite vers la fin, en quoi c’est plus simple de relier avec un plan ou avec des pistes. C’est presque automatique, on relie là où il y a encore de la place, et s’il n’y pas de place, c’est qu’on a merdé.

Je ne m’y connais vraiment pas particulièrement en design de PCB, j’ai juste vu les autres faire, je ne fais qu’imaginer.

Merci !

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Je ne comprends pas trop ton message.

Faut différencier le routage "amateur" et celui avec des cartes complexes.

Quand j’ai un FPGA, un processeur, de la RAM, les alimentations qui vont bien, les oscillateurs et distributeurs d’horloge, les PHY ethernet, etc. j’arrive pas la fleur au fusil le premier jour de routage.

On fait un préplacement des composants en relation avec la mécanique pour le placement des trou de fixation, et si y a un boitier négocier les zones à hauteur limitée. Ensuite on estime le nombre de couches nécessaires pour router et on réalise un stackup que l’on valide avec un fabricant ou plusieurs.

Personnellement quand je fais le préplacement je pense à comment vont être tirés les signaux critiques qui doivent éviter de passer par plusieurs couches et être les plus courts possibles.

Mais surtout non la masse n’est pas le truc à la con qu’on route en dernier n’importe comment. Justement si tu fais des pistes de masse et pas des plans dédiés, ça revient à faire n’importe quoi et risquer d’avoir un produit qui tombe en marche.
Si t’as une couche de masse, il te suffit de mettre des vias pour relier à la masse n’importe quel endroit des autres couches.
Mais toutes les masses de la carte doivent être correctement reliées entre elle pour éviter d’avoir une différence de potentiel, ce qui veut dire une tension. Et ça on veut l’éviter car la masse c’est le référentiel "0V", si à un endroit A de la carte il est à 0V et qu’à l’endroit B c’est à 500mV et à un autre 354mV, c’est pas terrible.

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Auteur du sujet

D’accord, donc ça ne marche apparemment que pour le multicouche (qui visiblement est quasiment l’unique standard industriel).

Pour mes vulgaires monocouches, les avantages ne sont pas la facilité de routage mais plutôt tous les autres, donc ?

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Du monocouche amateur, ça veut dire en général un montage relativement simple qui peut se permettre de tomber en marche.

Si tu commence à faire des trucs complexes, c’est toujours possible en monocouche, mais il faut respecter les règles de routage habituelles mais faire attention à la masse si t’as des signaux sensibles ou de la puissance.

Mais aujourd’hui un circuit double couche c’est quasiment le même prix qu’un monocouche sauf à être sur des volumes de millions d’unités par an et chercher à économiser le moindre centime.

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