Faisceaux au top : les masses font la différence

Dans le domaine de l’électronique, la conception d’un faisceau reliant plusieurs cartes électroniques est une étape cruciale qui influence directement les performances du système.

Bien que les fils d’alimentation attirent souvent l’attention, les fils de masse, souvent négligés mais fondamentaux, jouent un rôle tout aussi crucial, voire plus, dans la performance globale du produit. Pourtant, l’importance des fils de masse est souvent sous-estimée. Ces derniers jouent un rôle crucial en assurant le chemin de retour des courants, condition indispensable pour la stabilité et la fiabilité du système. Une mauvaise gestion de ce paramètre peut engendrer des boucles de courant, des rayonnements électromagnétiques indésirables et des interférences nuisibles. 
Alors, comment dimensionner correctement les fils de masse pour garantir un fonctionnement optimal ? Cet article vous explique tout.

Pourquoi les fils de masse sont essentiels

Le dimensionnement des fils de masse dépend principalement de deux facteurs :

1.  L'impédance des fils : Plus un fil est fin ou long, plus son impédance est élevée. Une forte impédance augmente les risques de chute de tension et limite la capacité du fil à conduire efficacement le retour de courant.
2. Le courant des alimentations : Les fils de masse doivent supporter l’intensité totale du courant de retour, sous peine de surchauffe, de pertes énergétiques, ou pire, de dommages au circuit.

Dans un système électronique, le courant retourne toujours à sa source. Ce chemin de retour passe généralement par les fils de masse, qui assurent :

1. La référence de potentiel pour tous les signaux et composants.
2. Le retour du courant d’alimentation.

Les fils de masse permettent ce retour en reliant les potentiels de référence des différentes cartes électroniques. Cependant, ce retour peut être perturbé si :

    • Les fils de masse ont une résistance ou une inductance trop élevée.
    • Les signaux haute fréquence ne trouvent pas un chemin adapté, ce qui les pousse à emprunter des chemins indésirables.
    • Une boucle de courant est créée, générant des interférences électromagnétiques.

Cependant, si les fils de masse sont mal dimensionnés en nombre ou en section, plusieurs phénomènes indésirables peuvent survenir :

    • Une chute de tension excessive, affectant la stabilité des signaux. 
    • Une augmentation de l’impédance à haute fréquence, dégradant les performances en RF. 
    • Des boucles de courant imprévues, génératrices de rayonnements électromagnétiques. 

Si ces fils de masse sont mal dimensionnés en nombre ou en diamètre, le courant retour peut emprunter des chemins imprévus, créant des boucles de courant. Ces boucles génèrent non seulement un rayonnement électromagnétique qui peut perturber les circuits voisins, mais elles peuvent aussi causer des dysfonctionnements dans les signaux transmis, notamment des erreurs ou des pertes de données.
Un dimensionnement inadéquat des fils de masse peut donc compromettre non seulement le fonctionnement électrique, mais aussi la compatibilité électromagnétique (CEM) de l’ensemble du système.

La notion de retour de courant et son impact sur la CEM

Le retour de courant dans un système électronique correspond au chemin par lequel le courant, après avoir traversé les composants actifs, retourne vers la source d'alimentation. Ce retour de courant est généralement géré par un fil de masse qui est censé conduire le courant de manière propre et sans interférences.

Effets d'un mauvais retour de courant :

À basse fréquence, les perturbations dues à un mauvais retour de courant sont généralement faibles. Cependant, à haute fréquence, plusieurs phénomènes peuvent se produire :

1. Augmentation de l'impédance : Si la masse (ou le fil de retour) est mal dimensionnée, l'impédance peut devenir trop élevée. Cela empêche le courant de revenir efficacement, ce qui génère des courants de fuite qui peuvent provoquer des boucles de masse.
2. Rayonnement électromagnétique : Une impédance trop élevée dans le retour de courant peut entraîner des rayonnements électromagnétiques non désirés, qui peuvent interférer avec d'autres circuits et équipements voisins.
3. Dissipation d'énergie : Une impédance trop élevée peut également provoquer des pertes d'énergie sous forme de chaleur, affectant l'efficacité du système et provoquant des échauffements localisés.

Comprendre l'impédance d’un fil de masse : un modèle RLC

Un fil conducteur n’est jamais parfait. Il peut être modélisé comme un circuit RLC, avec :

    • R : la résistance du fil, proportionnelle à sa longueur et inversement proportionnelle à sa section.
    • L : l’inductance due aux champs magnétiques générés par le courant dans le fil.
    • C : la capacité parasite entre le fil et les autres conducteurs ou la masse.

L’impédance totale du fil dépend de ces trois paramètres et de la fréquence du signal f. Elle est donnée par :

où ω=2πfest la pulsation.

À basse fréquence (f≈0 )
L’impédance est dominée par R, et elle est faible si le fil est suffisamment épais.

À haute fréquence (f élevé)
L’inductance L et l’effet de peau augmentent considérablement l’impédance, rendant le fil moins efficace pour le retour du courant. Cela force les courants à emprunter d’autres chemins (comme les plans de masse ou des câbles voisins), créant des boucles de courant et augmentant les rayonnements électromagnétiques.

Pourquoi doubler (ou tripler) les fils de masse ?

Doubler les fils de masse offre plusieurs avantages cruciaux, notamment en haute fréquence :

1. Réduction de la résistance équivalente (R)
   Deux fils en parallèle divisent la résistance totale par deux, diminuant les pertes par effet Joule et la chute de tension.
2. Réduction de l’inductance équivalente (L)
   L’inductance totale des fils en parallèle est également réduite, ce qui limite l’augmentation de l’impédance à haute fréquence.
3. Amélioration du retour du courant
   Avec plusieurs fils, le courant trouve toujours un chemin adapté, minimisant les différences de potentiel et les perturbations sur les signaux sensibles.

Les bases des faisceaux et du retour de courant

Quand vous connectez deux cartes électroniques avec un faisceau, vous transmettez généralement plusieurs signaux et alimentations. Chaque signal ou alimentation génère un courant, qui doit retourner à sa source pour compléter le circuit. Ce retour se fait par les fils de masse inclus dans le faisceau.
Cependant, lorsque les fils de masse sont insuffisamment dimensionnés (trop fins, trop peu nombreux ou mal positionnés), le courant de retour emprunte d’autres chemins, comme les plans de masse des cartes ou des câbles voisins. Cela crée des boucles de courant et engendre plusieurs problèmes :

    • Rayonnements électromagnétiques : Les boucles agissent comme des antennes, générant des interférences qui perturbent les signaux voisins.
    • Chute de tension excessive : Une masse mal dimensionnée peut provoquer des pertes de tension importantes, affectant la performance des circuits.
    • Chauffage des fils : Si les fils sont sous-dimensionnés, ils peuvent surchauffer, entraînant des pannes ou des risques de sécurité.

Comment dimensionner correctement les fils de masse ?

Le dimensionnement des fils de masse repose sur une série d’étapes méthodiques :
 

1. Calculer les besoins en courant total

Additionnez les courants de retour de toutes les alimentations et signaux du faisceau. N’oubliez pas de considérer :
    • Les courants continus (DC) des alimentations.
    • Les courants alternatifs (AC) générés par les signaux haute fréquence.
    • Les courants transitoires dus à des charges inductives ou capacitives.

2. Choisir la section minimale des fils

Référez vous aux abaques.

3. Multiplier les fils si nécessaire

Si la section d’un seul fil dépasse les contraintes mécaniques ou économiques, utilisez plusieurs fils de masse en parallèle pour répartir le courant. Cela est particulièrement utile dans les faisceaux longs ou dans des environnements où les fils épais ne sont pas pratiques.

4. Prendre en compte les fréquences des signaux

Pour les signaux haute fréquence, ajoutez des fils dédiés à la masse des signaux pour minimiser les problèmes d’impédance. Pensez également à torsader les fils d’alimentation avec leur masse associée pour réduire les boucles.

Réduction des boucles de courant

Voici quelques techniques avancées pour éviter les boucles de courant :

1. Utiliser des plans de masse : Si possible, incorporez un plan de masse commun aux cartes connectées. Cela réduit les boucles et assure un retour uniforme du courant.
2. Torsader les fils : En torsadant les fils de signal ou d’alimentation avec leur fil de masse, vous réduisez les inductances parasites et le couplage magnétique avec les autres circuits.
3. Placer les masses à des endroits stratégiques : Ne regroupez pas toutes les connexions de masse en un seul point éloigné. Une masse distribuée près des zones de forte consommation est plus efficace.
4. Ajouter des filtres : Pour les signaux haute fréquence, des ferrites ou des inductances sur les fils de masse peuvent limiter les rayonnements indésirables.

La clé d’un faisceau performant

Pour garantir des performances optimales et éviter les boucles de courant, un faisceau bien conçu doit inclure :

    • Des fils de masse correctement dimensionnés,
    • Une répartition judicieuse des retours de courant,
    • Une réduction des impédances et des longueurs inutiles.

En respectant ces principes, vous éviterez les problèmes de rayonnement électromagnétique et assurerez la fiabilité de vos circuits. N’oubliez pas qu’un bon câblage est la fondation d’un système électronique robuste.

En résumé, pour un faisceau performant il faut:

1. Doubler (ou tripler) les fils de masse

Même si un seul fil peut sembler suffisant en basse fréquence, les courants haute fréquence nécessitent plusieurs chemins parallèles pour minimiser l’impédance.

2. Torsader les fils de signal avec leur masse associée

Cette méthode réduit les boucles et l’inductance, tout en améliorant l’immunité aux perturbations externes.

3. Utiliser des plans de masse

Dans les systèmes complexes, un plan de masse partagé entre les cartes est la solution idéale pour limiter les différences de potentiel et offrir un chemin de retour à faible impédance.

4. Prendre en compte les capacités parasites

Dans les faisceaux transportant des signaux haute fréquence, la capacité parasite peut jouer un rôle bénéfique en shuntant certaines interférences, mais elle peut également augmenter les pertes. Une étude au cas par cas est nécessaire.

Conclusion

Les fils de masse sont bien plus qu’un simple retour de courant. Ils déterminent la stabilité, la fiabilité et la compatibilité électromagnétique de votre système.
En doublant les fils de masse, vous réduisez efficacement leur impédance et évitez les problèmes de boucles de courant et de rayonnements. Prenez également en compte le comportement à haute fréquence, où l’inductance peut rapidement devenir un facteur limitant.
Bien dimensionner les fils de masse dans un faisceau est essentiel pour garantir des performances fiables, éviter les boucles de courant et minimiser les rayonnements indésirables. Une approche méthodique, alliant calculs précis et bonnes pratiques de câblage, est la clé pour un faisceau électronique performant.
Un faisceau bien conçu est le résultat d’un équilibre entre théorie (calculs ) et pratique (choix des matériaux et des méthodes d’assemblage). En suivant ces recommandations, vous pourrez concevoir des systèmes robustes, même dans les environnements les plus exigeants.

Avez-vous rencontré des problèmes de faisceaux ou de boucles de courant dans vos projets ?  Contactez-moi  à l'adresse suivante contact@designforu.fr, je me ferai un plaisir de vous accompagner.