Stratégie de conception de circuits imprimés de l'ETH pour les boîtiers en plastique

Dans la conception des périphériques Ethernet modernes, le coût, le poids et l'esthétique conduisent à l'adoption croissante de boîtiers en plastique. Alors que les matériaux plastiques offrent des avantages tels que des processus de moulage légers, peu coûteux et flexibles, leurs propriétés d'isolation présentent des défis uniques pour la conception de compatibilité électromagnétique (CEM), en particulier la protection contre les décharges électrostatiques (ESD). Cet article explique comment décharger efficacement la charge PE (Protective Earth) grâce à une conception innovante de PCB dans le cadre des contraintes des boîtiers en plastique.

Analyse des caractéristiques de protection ESD des boîtiers en plastique
Les boîtiers en plastique sont essentiellement une stratégie d'isolement. Selon les principes de protection ESD, l'isolation est la méthode de protection la plus directe et la plus efficace : en augmentant la longueur du trajet de décharge, l'électricité statique ne peut pas atteindre les circuits internes. La norme CEI 61000-4-2 stipule qu'une décharge dans l'air de 8 kV nécessite au moins 4 mm de distance d'isolation pour empêcher efficacement la pénétration de l'arc. Cela fournit une base théorique pour la conception d'un boîtier en plastique : tant que des entrefers et des lignes de fuite suffisants sont maintenus, le boîtier en plastique lui-même constitue une barrière naturelle. Cependant, cette caractéristique d'isolation entraîne également des effets secondaires : les charges statiques générées à l'intérieur du dispositif ou les charges couplées à l'extérieur ne peuvent pas être déchargées en douceur, formant potentiellement un potentiel de haute tension dans une certaine zone du PCB. Lorsque la tension s'accumule jusqu'à un niveau suffisant pour briser le boîtier en plastique ou l'entrefer, une décharge secondaire plus destructrice se produit. Par conséquent, le cœur de la gestion de la charge sous les boîtiers en plastique réside dans la « décharge active » plutôt que dans « l’isolation passive ».

1. Dynamique de charge des systèmes au sol flottants
   Les appareils à boîtier en plastique constituent généralement des systèmes de masse flottants, ce qui signifie qu'il n'y a pas de connexion CC entre le plan de masse du PCB et la terre externe. Le comportement de charge des systèmes flottants au sol suit ces principes :
   Conservation des charges : La quantité totale de charges positives et négatives dans le système est égale, mais différentes zones peuvent présenter des potentiels différents en raison de l'induction.
   Couplage capacitif : des capacités parasites se forment entre le PCB et l'environnement externe, et entre les composants internes et le boîtier, devenant ainsi des canaux de transfert de charge.
   Accumulation haute tension : en l'absence de chemin de décharge, une petite charge peut générer des milliers de volts aux nœuds à haute impédance.
   Seuil de décharge : lorsque la différence de potentiel dépasse la résistance au claquage du milieu isolant, une décharge d'arc se produit.

Principes de conception de base pour les PCB - Décharge de charge de niveau
Principe 1 : Construire une carte-niveau quasi-plan de sol
Dans les appareils à boîtier en plastique, bien qu'une connexion à la terre externe ne soit pas possible, un plan de potentiel de référence stable doit être établi sur le PCB, que nous appelons « quasi-terre ». Cet avion sert de « réservoir » et de « station de transfert » pour la recharge.
Les considérations de conception comprennent :
- Plan de masse complet : lorsque vous utilisez des conceptions de cartes multicouches, assurez-vous qu'il existe une couche de feuille de cuivre complète et non segmentée comme plan de masse continu. Un plan complet fournit le chemin d'impédance le plus faible et homogénéise rapidement la répartition des charges.
- Topologie de mise à la terre en étoile : connectez les fils de terre de tous les modules fonctionnels au plan de masse principal dans une configuration en étoile pour éviter les différences de potentiel causées par les boucles de terre.
- Évitez la segmentation du sol : ne segmentez pas fonctionnellement le plan du sol. La segmentation conduit à des potentiels de terre incohérents dans différentes zones à hautes fréquences, créant ainsi des différences de potentiel.
- Maximisez le remplissage en cuivre : remplissez toutes les zones de PCB inutilisées avec une feuille de cuivre et connectez-les à la terre pour augmenter la capacité de charge.

Principe 2 : Établir un réseau de décharge hiérarchique

Pour éviter une concentration excessive de charges sur un seul nœud, un réseau de décharge hiérarchique doit être conçu pour obtenir une libération progressive des charges. Ce réseau est similaire au système d’évacuation des crues à plusieurs niveaux d’un barrage :

Niveau 1 : Carte - Couche d'homogénéisation de niveau
- Concevez un plan de masse en forme d'anneau d'une largeur d'au moins 3,5 mm autour du PCB comme « tampon » de charge.
- Connectez le plan de masse en forme d'anneau au plan de masse principal via des vias denses (espacement de 5 mm) pour réduire l'impédance de connexion.
- L'anneau de protection autour des circuits intégrés critiques doit être directement connecté à ce plan de masse en forme d'anneau.

Niveau 2 : Protection contre les décharges d'interface
- Toutes les interfaces externes (RJ45, USB, alimentation, etc.) doivent disposer de dispositifs de protection ESD indépendants.
- La borne de terre du dispositif de protection doit être connectée au plan de masse principal par le chemin le plus court (<5 mm).
- Évitez de partager les plans de masse entre les dispositifs de protection et les circuits protégés pour éviter les rebonds au sol.

Niveau 3 : Couche de dissipation d'énergie
- Configurez des « zones de dissipation de charge » aux quatre coins ou bords du PCB : connectez de grandes zones de feuille de cuivre à la terre principale via un réseau RC.
- Sélection des paramètres RC : une résistance de 1 MΩ/10 MΩ et un condensateur de 10 nF/100 nF sont connectés en parallèle pour former un chemin de décharge haute - fréquence, basse - impédance, haute - DC - impédance.
- Cette conception permet une décharge électrostatique haute fréquence rapide tout en bloquant le courant de fuite CC et en maintenant les caractéristiques de masse flottante.

Principe 3 : Optimiser la disposition pour l'isolation spatiale
La disposition spatiale sous le boîtier en plastique affecte directement la répartition de la charge et l'efficacité de la décharge. Un concept de disposition en « cercle concentrique » doit être suivi :


Identification et isolation des sources ESD
- Les points de test ESD sont généralement situés au niveau des joints du boîtier, des trous de ventilation, des boutons de commande, des voyants lumineux, etc.
- Lors de la disposition du PCB, désignez les zones correspondantes de ces emplacements sensibles comme des « zones interdites », où aucun composant ou trace ne doit être placé.
- Assurez-vous que la ligne de fuite entre la source ESD et les circuits internes est supérieure à 20 mm ; ceci est crucial pour éviter les arcs secondaires.

Stratégie de zonage fonctionnel
- Placez les composants sensibles tels que les puces Ethernet PHY et les transformateurs au centre du PCB.
- Placez des circuits robustes tels que des alimentations et des pilotes d'interface à la périphérie du PCB.
- Créez une « bande de protection » entre les zones et les bords sensibles : une zone vierge d'au moins 3 mm ou une bande d'isolation composée uniquement de fils de terre.

Gestion des signaux très sensibles
- Les traces sensibles telles que les signaux de réinitialisation, d'horloge et d'entrée analogique doivent être acheminées sur les couches internes du PCB et entourées de plans de masse des deux côtés.
- Ces lignes de signal doivent être éloignées du bord de la carte au moins trois fois la largeur de la trace.
- Évitez de placer les vias à proximité de signaux sensibles pour empêcher le couplage de charge via les vias.

Principe 4 : Chemin de décharge à impédance contrôlée
Dans les appareils à boîtier en plastique, une mise à la terre purement flottante n'est pas idéale ; un chemin de décharge à impédance contrôlée doit être construit. Ce chemin doit garantir une libération efficace de l'énergie ESD tout en conservant les caractéristiques de masse flottante de l'appareil pour supprimer les interférences de fréquence industrielle.
Conception du réseau de décharge RC
Selon la norme CEI 61000-4-2, les tests ESD nécessitent une décharge de 2 kV dans les 10 secondes pour chaque décharge. Par conséquent, la valeur de la résistance de décharge peut être calculée comme suit : R = V/I = 2 000 V / (Q/t) ≈ 1 MΩ/2 MΩ.
Recommandé pour une conception pratique :
- Résistances : 1 MΩ/10 MΩ, tenue à la tension d'au moins 2 kV
- Condensateurs : 10nF/100nF, tension de tenue supérieure à 1kV, de préférence en matériau X7R ou C0G
- Disposition : Le réseau RC doit être proche du bord du PCB, en particulier dans les zones où le contact humain est possible.

Principes de conception des composants périphériques

L'effet synergique de TVS et GDT
- Aux interfaces critiques, le TVS (Transient Voltage Suppressor) fournit un chemin de réponse rapide, limitant l'énergie ESD.
- Pour les ESD haute tension, le GDT (Gas Discharge Tube) peut être connecté en parallèle pour fournir un large chemin de décharge d'énergie.
- Les bornes de mise à la terre du TVS et du GDT doivent être connectées au plan de masse principal via des traces indépendantes, courtes et larges.


Blindage du transformateur de réseau
Les transformateurs Ethernet constituent des barrières cruciales contre la conduction ESD, et leur qualité de conception a un impact direct sur l'efficacité de la protection :
- Choisissez des transformateurs avec des prises centrales et mettez les prises à la terre via des condensateurs.
- Les plans de masse primaire et secondaire du transformateur doivent être séparés et couplés uniquement par couplage capacitif.
- Ne faites pas passer les câbles sous le transformateur ; maintenir un plan de masse complet comme blindage.

Protection de ligne de signal MDI
Les traces MDI (Medium Dependent Interface) de la couche physique constituent le point d'entrée pour l'ESD :
- Placez un réseau de protection ESD (tel que la série SP03xx) avant les broches MDI de la puce PHY.
- La broche de terre du dispositif de protection doit être directement connectée au plan de masse principal via un via dédié.
- Les traces MDI doivent être aussi courtes que possible, idéalement inférieures à 25 mm, et leur impédance adaptée à 50 Ω.
- Entourez les traces d'un plan de masse et insérez de manière dense des vias des deux côtés pour former un « mur de protection ».