Introducción
La era de la información ya está aquí, y el uso de placas de circuito impreso (PCB) no deja de crecer. Los diseños de PCB son cada vez más complejos. A medida que los componentes electrónicos se colocan más cerca unos de otros en las PCB, las interferencias eléctricas se convierten en un problema habitual. En las placas multicapa, las capas de señal deben separarse de las capas de alimentación o de tierra. Por eso, el diseño de la estructura y el orden de las capas son muy importantes. Una buena disposición de capas puede reducir considerablemente las interferencias electromagnéticas y la diafonía.
¿Por qué utilizar placas multicapa?
A diferencia de las placas de una sola capa, las placas multicapa incorporan capas de señal, capas de trazado y planos de alimentación y masa independientes. La principal ventaja es que proporcionan una tensión estable para las señales digitales. Distribuyen la alimentación de manera uniforme por todas las partes, lo que ayuda a reducir el ruido entre las señales.
Plano de alimentación y plano de tierra
El uso de grandes zonas de cobre para la alimentación y un plano de tierra sólido reduce la resistencia de dichos planos. Una menor resistencia mantiene estable la tensión del plano de alimentación. Esto ayuda a que cada línea de señal mantenga su impedancia característica. Una impedancia estable contribuye a reducir las reflexiones y a disminuir la diafonía. En el diseño de PCB de alta gama, los diseñadores suelen optar por estructuras con más de seis capas. Las placas multicapa superan a las placas de una sola capa o de pocas capas en cuanto a rendimiento eléctrico y reducción de la radiación electromagnética. El coste aumenta con el número de capas. El precio de una PCB depende del número de capas y de la densidad de trazado por unidad de superficie. Si se reducen las capas para ahorrar dinero, se pierde espacio de trazado. Esto aumenta la densidad de trazado. Es posible que se necesiten trazas más estrechas y espacios más pequeños para cumplir con el diseño. Esos cambios pueden aumentar el coste o dificultar la fabricación de la placa. Reducir el número de capas puede bajar el coste, pero puede perjudicar el rendimiento eléctrico. Esa elección puede resultar contraproducente.
La microcinta, la vía de retorno y el plano de tierra como parte de la línea de transmisión
Si se considera el diseño de una microcinta en una placa de circuito impreso como un modelo, el plano de tierra puede formar parte de la línea de transmisión. El relleno de cobre de tierra situado bajo una pista de señal actúa como ruta de retorno para la señal. El plano de alimentación está conectado a tierra a través de condensadores de desacoplamiento en la vista de CA. Esos dos planos actúan de la misma manera para el retorno de la señal. La diferencia entre los bucles de corriente de baja y alta frecuencia radica en cómo encuentra su camino la corriente de retorno. A baja frecuencia, la corriente retorna por la ruta con menor resistencia. A alta frecuencia, la corriente retorna por la ruta con menor inductancia. La corriente de retorno tiende a concentrarse directamente debajo de la pista de señal.
Corriente de retorno de alta frecuencia y autoprotección
A altas frecuencias, si una pista se encuentra justo encima del plano de tierra, incluso con muchas rutas de retorno, la corriente volverá por debajo de la pista de señal en la capa de trazado más cercana que conduzca de vuelta a la fuente. Esa ruta es la que presenta menor impedancia. El uso de grandes condensadores de desacoplamiento para conectar la alimentación a tierra suprime los campos eléctricos por capacitancia. Hacer que la ruta de retorno tenga baja inductancia suprime los campos magnéticos. Este par de efectos mantiene baja la reactancia neta. A esto lo llamamos autoprotección.
Área del bucle, distancia y densidad de corriente
A partir de las ecuaciones de la corriente de retorno, observamos que la densidad de la corriente de retorno es inversamente proporcional a la distancia respecto a la traza de señal. Una distancia menor da lugar a un área de bucle más pequeña y a una inductancia menor. También podemos observar que, si la línea de señal y la ruta de retorno están próximas, las corrientes que circulan por ellas son similares en magnitud y opuestas en dirección. Sus campos magnéticos se anulan mutuamente en el espacio cercano. Esto hace que la EMI externa sea muy reducida. En el diseño de apilamiento, lo mejor es colocar un plano de tierra cerca de cada capa de señal.
Interferencias causadas por la inductancia mutua
En la diafonía del plano de tierra, los circuitos de alta frecuencia provocan diafonía principalmente por acoplamiento inductivo. Según la fórmula de la corriente de retorno, dos trazas de señal próximas forman bucles de corriente que se solapan. Esos bucles solapados generan interferencias de campo magnético. El factor de acoplamiento K de la fórmula depende del tiempo de subida de la señal y de la longitud de la traza que interfiere. En el apilamiento, acercar la capa de señal y el plano de tierra reduce la interferencia procedente del plano de tierra.
Canales de cobre, separadores y paredes de aislamiento
En el trazado de circuitos, cuando los diseñadores rellenan con cobre las zonas de alimentación y tierra, deben tener cuidado de no crear una barrera de aislamiento en la zona de relleno. Este problema suele deberse a un exceso de vías o a un plan de aislamiento de vías deficiente. El resultado puede ser un tiempo de subida lento, un área de bucle mayor, una inductancia más elevada y un aumento de la diafonía y las interferencias electromagnéticas.
La densidad de vías y las barreras de vías pueden fragmentar el plano de tierra en islas. Esas islas obligan a la corriente de retorno a recorrer un camino más largo. Esto aumenta el área del bucle y la inductancia. Para evitarlo, diseña la ubicación de las vías y las divisiones de planos de manera que la corriente de retorno pueda fluir sin obstáculos. Cuando sea necesario dividir los planos para diferentes tensiones, coloque vías de unión y mantenga el desacoplamiento cerca de los dispositivos.
Combinación de vertidos de cobre para equilibrar el proceso
Al colocar el cobre en la placa, intenta colocar las zonas de cobre en pares para garantizar el equilibrio del proceso. Se trata de una cuestión importante en la fabricación de PCB. Un desequilibrio en el cobre puede provocar que la placa se deforme. Para cada capa de señal, lo mejor es tener una capa de cobre adyacente que coincida. La distancia entre un plano de alimentación de alta corriente y un relleno de cobre cercano afecta a la estabilidad y a la interferencia electromagnética (EMI). En el diseño de placas de alta velocidad, es habitual añadir capas de tierra adicionales para separar las capas de señal. Esas capas de tierra adicionales actúan como blindajes y ayudan a mantener baja la interferencia electromagnética.
Desacoplamiento y ruta de retorno cerca de la fuente
Coloca los condensadores de desacoplamiento cerca de los pines de alimentación de los dispositivos. Los condensadores de desacoplamiento conectan entre sí los planos de alimentación y de tierra a alta frecuencia. Un buen desacoplamiento proporciona una ruta de retorno corta cerca del dispositivo. Esto reduce el área del bucle y disminuye la inductancia. Los bucles cortos reducen las interferencias electromagnéticas y la diafonía.
Control de la impedancia y propiedades de las pistas
Controlar la impedancia de la pista implica mantener constantes la geometría de la pista y las propiedades dieléctricas. Una impedancia constante mantiene las señales limpias y reduce las reflexiones. Para controlar la impedancia, coloque la pista sobre un plano de referencia sólido y mantenga constantes la distancia y la constante dieléctrica. Una referencia a tierra justo debajo de la pista proporciona un buen comportamiento de microcinta o línea de banda. Esto beneficia tanto a las conexiones de un solo extremo como a los pares diferenciales.
Pares diferenciales y ruido en modo común
Los pares diferenciales necesitan un espaciado reducido y un plano de referencia sólido para mantener estable la impedancia diferencial. La transmisión diferencial reduce el ruido en modo común si el par se traza correctamente. Mantenga el par unido, evite los ramales y mantenga el plano de retorno cerca. Esto reduce tanto la interferencia electromagnética radiada como la diafonía hacia las redes cercanas.
Reglas de enrutamiento y compensaciones en el número de capas
Cuando se reduce el número de capas, disminuye el espacio para el trazado. Esto obliga a los diseñadores a reducir el ancho de las pistas y el espacio entre ellas. Esa mayor densidad de trazado puede aumentar la diafonía y la variación de impedancia. En muchos diseños, la opción más acertada es aceptar un mayor número de capas para facilitar el trazado y mantener el rendimiento eléctrico. El coste de un mayor número de capas es real, pero una mala integridad de la señal puede suponer un coste aún mayor en tiempo de depuración y fallos del producto.
Placas de alta velocidad y capas de tierra adicionales
Las placas de alta velocidad se benefician de la incorporación de capas de tierra para aislar las capas de señal. Esto reduce el acoplamiento entre las señales de las distintas capas. Las capas de tierra adicionales actúan como blindajes. Proporcionan una ruta de retorno cercana y de baja inductancia. Esto reduce las interferencias electromagnéticas y hace que la sincronización sea más predecible.
Consejos prácticos para el apilado y el trazado de rutas
- Coloca un plano de tierra sólido cerca de cada capa de señales de alta velocidad.
- Utiliza planos de alimentación con pistas de cobre anchas y asegúrate de que tengan una baja resistencia.
- Coloca condensadores de desacoplamiento cerca de los pines de alimentación y conecta la alimentación a tierra mediante trayectorias cortas.
- Evita dividir los planos bajo las pistas de alta velocidad. Si no tienes más remedio que dividir, añade vías de unión cerca de la pista.
- Presta atención a la densidad para no crear desconexiones en el plano.
- Las trazas deben ser cortas y hay que evitar los tramos sin conexión.
- Utiliza pares diferenciales para las señales que requieran inmunidad al ruido.
- Elige una disposición que mantenga corta la ruta de retorno y reducida el área del bucle.
- Equilibra el cobre en las capas externas para reducir la deformación.
Resumen
A medida que la electrónica se vuelve más densa, las interferencias electromagnéticas (EMI) y la diafonía se convierten en problemas cada vez más graves. Las placas de circuito impreso multicapa ofrecen herramientas para hacer frente a estos problemas. Los planos de alimentación y de tierra, los rellenos de cobre emparejados, las estructuras de capas compactas y un buen desacoplamiento contribuyen a ello. Una planificación cuidadosa de las capas y unas buenas prácticas de trazado reducen el área de bucle y la inductancia. Esto reduce la EMI y la diafonía. En definitiva, unas buenas elecciones en cuanto a apilamiento y trazado ahorran tiempo y dinero al reducir el riesgo de fallos y la necesidad de depuración.
