Brevet FR2918244A1 — publié le 20090102

Structure de filtrage sur circuit imprimé L'invention concerne le domaine technique du filtrage. Les applications de l'invention sont notamment celles de l'électronique de puissance c'est-à-dire en particulier les filtres d'alimentations à découpage, les filtres d'alimentations déportées pour les TBT (très basse tension), les filtres dans les systèmes de puissance (carte de commande, carte de surveillance, etc...) et de nombreuses applications dans les domaines de l'électronique analogique et numérique. Les circuits de filtrages sont utilisés dans la plupart des circuits électroniques. Ils permettent d'éviter la propagation de signaux parasites qui viennent se superposer au signal utile. Il existe des filtres qui permettent de sélectionner des bandes de fréquences particulières (filtres passe-bande) et d'autres qui se limitent soit aux basses fréquences (filtre passe-bas) soit aux hautes fréquences (filtre passe-haut). Dans le secteur de la transmission de puissance, on utilise généralement des filtres passe-bas afin de filtrer les composantes hautes fréquences non désirées. De tels filtres sont rencontrés également dans le cadre de l'électronique numérique. Il existe des filtres passifs de type RC ou de type LC, composés de composants discrets, inductances, résistances et capacités, ou actifs, ces derniers permettant de compenser les harmoniques non désirées. Les filtres passifs restent les plus utilisés mais leur utilisation augmente l'encombrement des cartes électroniques de façon considérable. Par exemple, selon la puissance, jusqu'à 50% de la surface d'une carte d'alimentation à découpage peut être constituée par des composants de filtrage. En effet, les inductances sont calibrées pour faire circuler le courant utile ainsi que les harmoniques perturbatrices. De plus, l'insertion de composants discrets crée des chutes de tensions sur le signal utile. L'autre difficulté de conception des filtres est la maîtrise des éléments parasites introduits par ces composants discrets. Par exemple, la self parasite série des condensateurs, due à la technologie, à la connectique, les empêche de garder leur caractère capacitif au delà de quelques MHz. D'où la difficulté de respecter les normes en vigueur, telles que les normes aéronautiques DO-160, ABD100, CISPR. Le problème d'encombrement est résolu selon l'invention en faisant véhiculer le signal dans un circuit imprimé par deux pistes. Ces deux pistes privilégient chacune un domaine de fréquence spécifique: l'une la basse fréquence et l'autre les fréquences plus élevées. Une telle séparation est rendue possible si les pistes sont disposées par rapport au plan de masse de telle façon que l'inductance de l'une soit très supérieure à celle de l'autre et que la résistance, Rbf, de la piste la plus selfique soit très inférieure à celle Rhf de l'autre piste, en considérant des pertes raisonnables. Les résistances peuvent être choisies par l'ajout de résistances discrètes de type composant monté en surface, CMS, ou par des résistances enterrées dans le circuit imprimé. De cette manière, le courant continu ou basse fréquence circulera majoritairement par la piste la moins résistive, piste dite piste BF, et sera quasiment nul dans l'autre. On choisit par exemple un ratio Rhf/Rbf élevé, par exemple d'un ordre 100 ou 1000. Par contre, en plus haute fréquence, le phénomène inverse se produit, c'est dans la piste la moins selfique, piste dite piste HF, que le courant circulera. Le pourcentage de courant transporté en basse fréquence et passant donc dans la piste basse fréquence dépend du ratio des résistances des deux pistes (tant qu'on peut négliger le caractère inductif). Le pourcentage de courant devient supérieur dans la piste haute fréquence à une certaine fréquence que l'on assimilera à une fréquence de transition du courant entre les deux pistes. Le pourcentage du courant haute fréquence dépend du ratio des selfs propres de chacune des pistes. La fréquence de transition est choisie en fonction des harmoniques à filtrer. Elle dépend de l'éloignement de la piste par rapport à un plan de masse, et des matériaux utilisés dans le circuit imprimé. Si on veut diminuer fortement la fréquence de transition, on placera un matériau magnétique, par exemple du pmetal avec un r égal à 30 000 à 1 kHz, au dessus et en dessous de la piste basse fréquence pour augmenter sa self. On applique le filtrage basse fréquence RC, voire RLC, sur la piste haute fréquence. Les capacités peuvent être soient discrètes soient enterrées. Les capacités enterrées ont l'avantage d'avoir une self parasite série négligeable. L'invention a donc pour objet un corps de circuit imprimé comportant deux pistes conductrices haute et basse fréquence, une inductance d'une première piste étant plus importante qu'une inductance de la deuxième piste et une résistance de la deuxième piste étant plus élevée que celle de la première, un filtre étant connecté à la deuxième piste, de façon à ce que par un jeu d'inductances on sélectionne des gammes de fréquences afin de n'appliquer le filtrage que sur une gamme du spectre fréquentiel que l'on veut atténuer. Dans ce cas, le corps de circuit imprimé comporte une inductance formée par apposition d'une part d'une piste conductrice du corps du circuit imprimé et d'autre part, si nécessaire, d'une première couche de matériau magnétique répandue dans le corps, en regard de la piste. Sans matériau magnétique, l'inductance dépend de la distance entre la piste basse fréquence et le plan de masse le plus proche, de la longueur de la piste ainsi que de la largeur de cette piste. Elle a également pour objet un tel corps qui comporte en outre une piste basse fréquence et une piste haute fréquence, la piste haute fréquence comportant le filtre, formé par les résistances en série et une capacité en parallèle. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l'examen des figures qui l'accompagnent. Celles ci ne sont présentées qu'à titre indicatif et nullement limitatif de l'invention. Les figures montrent: Figures 1 à 4: des représentations en perspective d'un corps de circuit imprimé selon l'invention; Figures 5 et 6 des schémas équivalents de filtres constitués selon l'invention avec un corps en circuit imprimé muni d'une telle inductance enterrée; Figures 7 et 8: des représentations de distributions de courant dans le corps de circuit imprimé avec deux pistes conductrices de l'invention pour différentes valeurs de perméabilité d'un matériau magnétique interposé; Figures 9 et 11: des dispositions de pistes dans le corps selon l'invention. Les figures 1 à 4 montrent un corps 1 de circuit imprimé selon l'invention. Ce corps 1, vu en éclaté de face et de profil sur les figures 1 et 2 respectivement, comporte une mise en regard d'une piste 2 conductrice et de préférence d'une couche 3 de matériau magnétique. La couche 3 est enterrée dans le corps 1. La piste 2 peut par ailleurs être placée entre deux couches de matériau magnétique, une, la couche 3, en dessous, l'autre, la couche 4, au dessus d'elle. Le circuit imprimé étant de préférence de type multicouches, des vias 5 permettent de raccorder électriquement les couches entre elles. Autrement, les couches conductrices sont séparées par des couches isolantes. Aux endroits des vias, les couches à ne pas raccorder sont dégagées, il peut en être de même de la couche 3 de matériau magnétique. Le circuit imprimé possède également une couche de masse 6 qui peut être placée en base du circuit imprimé, ou en une couche intermédiaire. Les figures 3 et 4 montrent pour un tel corps de circuit imprimé 1, son utilisation préférée à titre de filtre. Un tel filtre comporte alors selon l'invention deux pistes différenciées: la piste 2 basse fréquence et une piste 7 haute fréquence. La piste 7, figure 4 peut de préférence être séparée d'une autre piste, en particulier la piste 6 de masse par une couche 8 en un matériau diélectrique, avec une permittivité relative sr élevée, de façon à ce que la mise en regard de ces deux pistes forme un condensateur enterré. La figure 5 montre un schéma équivalent d'un circuit de filtrage réalisé avec des pistes basse fréquence telle que 2 et haute fréquence telle que 7. Ce schéma permet de bien faire passer la puissance par la piste basse fréquence et de n'appliquer le filtrage qu'aux harmoniques de moindre amplitude grâce à la piste haute fréquence. La figure 6 montre un circuit de simulation utilisable pour évaluer l'incidence des selfs et de la perméabilité relative r sur la répartition en courant dans les deux pistes. Typiquement, figure 7, avec un r de 1, la fréquence de coupure, ou fréquence de transition entre une piste et l'autre se situe autour de 10 MHz, alors qu'elle se situe autour de 10 KHz si r vaut 1000, figure 8. Les distributions de courant s'inversent d'une piste à l'autre lorsque la fréquence du signal passe de part et d'autre de la fréquence de transition. Différentes configurations peuvent être envisagées qui respectent le principe évoqué de double piste, basse et haute fréquence. Trois cas sont présentés pour lesquels on a calculé les paramètres inductifs avec un logiciel nommé ASERIS/NET distribué par EADS pour plate-forme d'ordinateur personnel ou de station de travail fonctionnant sous le logiciel UNIX. Ce logiciel est un solveur de réseau électrique en fréquentiel et temporel, servant par exemple pour mesurer le couplage de lignes de transmission multi-conductrices. Des sous programmes ASERIS/HF (Calcul de rayonnement d'antennes par lancé de rayons), ASERIS/FD et ASERIS/BE peuvent être couplés à ASERIS/NET pour permettre une analyse complète de couplages électromagnétiques entre une structure et un réseau électrique/électronique. Les trois cas correspondent à un gr valant 1. Un premier cas, figure 9, correspond à des pistes basse fréquence et haute fréquence d'épaisseur 35 pm. La piste basse fréquence 2 est à 200 lm sous le plan 6 de masse et possède une largeur de 50mm. La piste 7 haute fréquence est à 1.3 mm au dessus de ce plan 6 de masse et possède une largeur de I mm. Cette configuration permet de respecter le principe et elle est réalisable dans un circuit imprimé de 14 couches. Les pistes 2 et 7 sont placées de part et d'autre du plan 6 de masse. Cette configuration permet d'annuler la mutuelle entre les deux pistes. De plus, si on place un matériau magnétique, il n'a d'influence que sur la self de la piste basse fréquence. Un second cas, figure 10, est une variante du cas précèdent et consiste à placer les pistes 7 haute fréquence et 2 basse fréquence du même côté par rapport au plan de masse. Un troisième cas, figure 11, correspond à l'utilisation en sus d'une capacité enterrée. Les calculs de selfs effectués avec ASERIS/NET correspondent à l'utilisation d'une capacité enterrée de 8pm d'épaisseur, entre la couche 2 et la couche 6, correspondant à l'utilisation d'un matériau diélectrique enterré appelé C-ply (de permittivité sr=18). Ce matériau permet d'obtenir une capacité de 1 nF/cm2 et cela sans éléments parasites. La seule limite en fréquence correspond aux résonances de la cavité formée par le plan de masse 6 et la piste 2 basse fréquence à des fréquences plus grandes que 1 GHz. La piste 2 basse fréquence a une largeur qui dépend de la valeur de capacité enterrée que l'on veut obtenir. De manière idéale, on peut augmenter la surface de cette piste afin d'obtenir une capacité plus élevée. Les valeurs calculées des inductances linéiques L sont données dans le tableau suivant avec gr =1:35 Configuration Lbasse fréquence/m Lhaute fréquence/m M/m 1 (figure 9) 0.46 pH 158 nH 0 2 (figure 10) 0.46 H 158 nH 52 nH 3 (figure 11) 0.45 H 1.6 nH 1.5 nH Les répartitions en courant entre les branches haute fréquence et basse fréquence ont été simulées à partir du circuit représente sur la figure 6. Les graphes obtenus, figures 7 et 8, donnent les répartitions en courant entre les pistes basse fréquence et haute fréquence, respectivement pour un pr=1 et un pr=1000. Une augmentation d'un facteur 10 de gr permet d'abaisser la fréquence de transition d'une décade. On peut associer ainsi plusieurs cellules de filtrages en cascade avec des capacités de valeurs différentes (capacités discrètes et/ou enterrées) afin d'améliorer l'efficacité du filtre. Ce filtre peut être également associé en série à des filtres traditionnels constitués d'éléments discrets (inductances et capacité). Son efficacité a été vérifiée dans le cas d'une alimentation à découpage. La mise en oeuvre de ce nouveau procédé de filtrage permet de limiter l'emploi des selfs de filtrages (encombrement, coût), d'exploiter aisément les nouvelles technologies au niveau des circuits imprimés (capacités enterrées) qui permettent améliorer le filtrage en haute fréquence (self série à la capacité négligeable), et de réaliser un filtre RC, ce qui n'est pratiquement pas faisable avec une unique piste véhiculant le signal utile pour lequel les pertes sont trop importantes. A titre de perfectionnement il est possible de symétriser les structures présentées sur les figures 1 à 4 par rapport au plan 6 de masse. Un circuit imprimé ainsi symétrisé permet d'assurer une meilleure intégrité mécanique de la carte électronique. Il permet également par exemple de diviser par deux les courants circulants dans les pistes et donc de diminuer les risques de saturation des matériaux magnétiques. Un autre exemple serait de véhiculer le courant basse fréquence par plusieurs pistes, par exemple parallèles, reparties de préférence sur une même couche, ou sur des couches différentes. Cela permet de répartir le courant basse fréquence sur plusieurs pistes et donc de diminuer les risques de saturation des matériaux ferromagnétiques, les phénomènes de saturations étant locaux. Par conséquent le circuit imprimé de l'invention permet de véhiculer davantage de puissance. REVENDICATIONS 1 - Corps (1) de circuit imprimé comportant deux pistes conductrices haute et basse fréquence, une inductance dune première piste étant plus importante qu'une inductance de la deuxième piste et une résistance de la deuxième piste étant plus élevée que celle de la première, un filtre étant connecté à la deuxième piste, de façon à ce que par un jeu d'inductances on sélectionne des gammes de fréquences afin de n'appliquer le filtrage que sur une gamme du spectre fréquentiel que l'on veut atténuer. 2 û Corps selon la revendication 1, caractérisé en ce que le filtre est un filtre LC totalement enterré, dont une inductance L est formée par une piste éloignée d'un plan de masse et la capacité C est formée par un matériau interposé entre le plan de masse et un autre plan relié en série à la deuxième piste. 3 - Corps selon l'une des revendications 1 à 2, caractérisé en ce qu'une inductance est formée par apposition d'une couche (4) de matériau magnétique répandue dans le corps entre la piste et le plan de masse. 4 - Corps selon la revendication 1 à 3, caractérisé en ce qu'une inductance est formée par apposition d'une deuxième couche (4) de matériau magnétique répandue dans le corps, en regard de la piste, de l'autre côté de la piste par rapport à la première couche. 5 - Corps selon l'une des revendication 3 à 4, caractérisé en ce que la couche de matériau magnétique est elle-même formée par plusieurs couches d'un même matériau magnétique ou de matériaux magnétique de nature différentes. 6 - Corps selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte une piste (2) basse fréquence en forme de spirale pour réduire les mutuelles de couplage et donc maximiser l'inductance. 7 - Corps selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les deux pistes présentent en basse fréquence des résistances dans un rapport élevé, par exemple de 100 à 1000. 8 - Corps selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comporte des composants condensateurs et ou résistances réalisés en technologie enterrée, et ou discrets. 9 - Corps selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce queles pistes basse et haute fréquence sont placées de part et d'autre d'un plan de masse du corps. 10 - Corps selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la piste basse fréquence est divisée en plusieurs pistes parallèles, de 5 préférence situées sur une même couche. 11 - Corps selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs couches de pistes conductrices raccordées entre elles par des vias (5) et autrement séparées les unes des autres par une couche isolante.