Bonjour les tubistes
Aujourd’hui je vais vous faire un retour d’expérience sur les plans de masse dans les PCB. L’objectif n’est pas de vous convaincre qu’il faut faire comme ça, juste de le présenter dans mon domaine d’application. J’avais suivi une formation dont voici les restes.
Le domaine d’application
A mon boulot nous faisons des cartes à destination du médical, du militaire, du spatial… Mais jamais d’audio. Il y a sur nos cartes des DC/DC, des fonctions numériques parfois très rapide et de l’analogique parfois de très haut niveau.
Coté techno des composants, la résistance et le condensateur traversant n’existe quasiment plus. Notre taille de composant passif est généralement le 0805 car on le travail facilement à la main. Pour des besoins d’intégration on peut passer au standard actuel 0402 voire en dessous.
Globalement, à part pour des problématiques de dissipation et de densité de chaleur sur la carte, il n’y a que des avantages à utiliser des petits composants. Les pistes sont plus courtes, les fonctions occupent moins de place sur les PCB et ont donc moins d’interaction les unes avec les autres.
Coté PCB, à part pour des outillages, le 4 couche est le minium. Dans cette configuration il y deux couches extérieurs de routage, une couche interne de GND et une autre couche interne majoritairement pour distribuer les alims. 37,5µm de cuivre pour les couches externes et 17µm pour les couches internes. Je le redis, l’épaisseur de cuivre ne sert qu’à passer du courant. Un ampli ne sonnera pas mieux s’il utilise du 70µm. Si c’est le cas c’est juste que la largeur des pistes n’a pas été bien dimensionné. Il y a des normes qui d’ailleurs donnent largeur en fonction du courant, de l’épaisseur et de l’environnement (couche interne ou externe, vernis ou pas, altitude de l’équipement, air salin…)
Pour finir sur le contexte, les tensions que nous manipulons sont généralement du 3,3V, parfois du 5V. Je crois que la plus grosse capa que j’ai utilisé ici en 10 ans est du 63V. Coté courant, en ce moment je travaille sur une carte qui passe du 20A et j’ai un collègue qui bosse sur un étage d’entrée d’un AOP où il ne dépasse pas quelques femto Ampères.
Les plans de masse
Quand on parle plan de masse tout le monde pense tout de suite au GND mais ils peuvent être à d'autres potentiels. C'est physiquement la même chose. L’idée est d’avoir un plan de cuivre le plus équipotentiel possible. Effectivement, dès que l’on s’éloigne d’un point sur le plan ou sur une piste, une résistance apparait. D’autant plus grande que la distance est grande. La formule classique de la résistivité du cuivre, R=résistivité du cuivre x longueur / section. En maximisant la section on réduit cette résistance. Et donc en passant de 17µm à 70µm on ne multiple que par 4 la section alors que passer d’une piste de 2mm de largeur à un plan de masse, le gain est bien plus grand.
A quoi ça sert ?
La principale utilité est la CEM, la Compatibilité ElectroMagnétique. En gros tout un ensemble d’usages qui font que tous les sensibilités qu’il y avait dans nos appareils électroniques ont disparues. On n’entend plus des bruits dans nos appareils audio quand on va recevoir un appel sur son téléphone mobile et la TV n’a pas des traces bizarres à l’écran quand quelqu’un actionne l'interrupteur d’une lampe. On y est arrivé en partie grâce aux plans de masse.
Pour résumer, lorsqu’on actionne un interrupteur sur le secteur ça fait un petit arc entre les contacts. Cet arc génère un champ électromagnétique qui lorsqu’il va rencontrer une piste (ou une longue patte de composant traversant) va induire une tension d’autant plus grande que la résistance est élevée. Donc en gros quand dans un schéma vous reliez deux composants par un fil, vous considérez que c’est le même potentiel des deux côtés, dans la réalité c’est jamais le cas.
Autre avantage, sans parler de blindage, lorsqu’une piste sensible est entourée d'un plan de masse, elle a moins tendance à être polluée par les voisines. Ainsi certaines datasheet de composant proposent des routages avec ring guard.
En pratique
Le plan de masse n’est nullement incompatible avec les tensions tubes. Comme je fais du tube et que ce n’est pas les tensions habituelles de mes collègues, j’avais fait à une époque des éprouvettes pour qualifier un PCB avec un diéléctrimètre jusqu’à 6kV. Je ne sais plus à combien ça avait claqué mais avec un isolement de 1mm je tenais plus de 1000V. Ce fabuleux Kicad (je pense tous) permet d’ailleurs de régler l’isolation de chaque piste. Généralement pour mes HT je mets entre 1,5mm et 2mm.
Pour ce qui est des capacités parasites qui vont limiter la bande passante. C’est une réalité. Je pense que ça se calcule ou simule. Ça se mesure surtout. Il suffit de mettre un capacimètre entre la piste et le plan. Bien sûr PCB nu. Puis mesurer la résistance de la piste et F=R.C . Avec R faible, une piste même très fine fait bien moins d’1 ohm et une capacité de quelques picos, ça fait un filtre passe bas d’une fréquence de plusieurs Mhz. Pour de l’audio ça devrait passer !
Ensuite point majeur. Un plan de masse ne doit jamais être coupé. Il ne faut pas router de piste au milieu d’un plan de masse. Pour nous qui payons nos PCB, la techno 4 couches n’est pas encore abordable pour un PCB de la taille d’un ampli. Dans le cas d’un double couche c’est une exigence impossible à tenir. Il faut donc pour diminuer l’impédance du plan de masse au maximum, faire en sorte qu’il circule le mieux et clouter au maximum. En pratique quand on voit qu’en écartant deux piste on permet au plan de masse de circuler, on le fait. Une pratique est de router une couche majoritairement horizontalement et l’autre couche verticalement. En cloutant ça permet des bonnes connexions. Les bords des pcb sont des zones sensibles. Le plan de masse devra entourer l’ensemble du pcb sur toutes les couches avec des vias tous les 2 ou 3mm.
Certains voudrons séparer les plans de masses, un plan de masse pour l’analogique, un pour le numérique, un pour les alims. Ca se fait. Généralement ils sont interconnectés entre eux via des ferrites, des réseaux RC ou des trucs plus ésotériques avec des RC, diodes et selfs.
Les filaments
Le routage des filaments en AC sur le PCB ne pose pas non plus de pb. C’est généralement ce que je route en premier. L’outil de calcul de Kicad est parfait pour dimensionner la largeur.
On les routes pistes parallèle sur la même couche. Dans ce cas l’isolation entre les deux pistes doit être faible, 0,3 à 0,4mm. Le plus possible on va éviter de rompre le parallélisme. On préférera réduire localement la largeur des pistes plutôt que de les séparer. Si une piste change de couche, l’autre en fait de même. Utiliser au moins deux vias lors d’un changement de couche.
Faire ainsi permet tout le long de la piste de laisser de la place sur l’autre côté pour d’autres pistes et du plan de masse. On évitera de router d’autres pistes parallèles contre les pistes de filament AC. On préférera les séparer d’un plan de masse et des routages perpendiculaires.
Parfois on sera obligé de router les filaments sur deux couches distinctes. Dans ce cas il faudra qu’elles soient le plus possible exactement l’une au-dessus de l’autre.
Pour ce qui est des professionnels de l’audio. J’accorde particulièrement de crédit à Audio Research et à Nagra. L’un n’utilise pas de plan de masse sur ses sections tubes, l’autre oui. Tout est dit ! Nagra étant pour moi un gros step au-dessus en termes de niveau technologique.
Les autres pistes
S'il n'y a pas de courant il ne sert à rien d'avoir des pistes très large. Pour les quelques mA qui circulent sur un ampli à lampe, un routage en 0,4 à 0,6 est suffisant. Plus une piste est fine moins elle capte les merdes. Plus elle est courte aussi.
Si vous avez des questions sur la théorie ou la mise en œuvre, je pourrai essayer d’y répondre. Je ne débattrais pas du pour ou contre.
Au plaisir !
Séb
