Guía de técnicas de puesta a tierra de PCB

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• ¿Qué es un terreno?
• Terminología de puesta a tierra
• Técnicas de puesta a tierra de PCB
• Qué recordar al conectar a tierra
• Asegúrese de que todo esté adjunto
• Mantenga su capa base completa
• Minimizar el uso de vías en serie
• Tener un punto de tierra común

La conexión a tierra es un concepto crítico para cualquier circuito electrónico y cualquier sistema que trabaje con una corriente eléctrica. Todo, desde la red eléctrica hasta un hogar y una placa de circuito impreso (PCB), tiene conexión a tierra. Los PCB son fundamentales para el funcionamiento de casi todos los componentes electrónicos, y cada PCB necesita una conexión a tierra adecuada para funcionar correctamente.

La gente usa el término tierra para describir varios conceptos. En este artículo, discutiremos estos conceptos, la importancia de la conexión a tierra en una PCB y los diferentes métodos que se pueden usar para la conexión a tierra en una PCB.

¿Qué es un plano de tierra de PCB?

El plano de tierra en una placa de circuito impreso es un cuerpo conductor que actúa como un nodo arbitrario de voltaje potencial y un retorno común para la corriente eléctrica. Es un punto de referencia cero o cero voltios. El suelo es la referencia en la que basas la señal.

En electrónica, la tierra es el nombre que se le da a un punto determinado del circuito. En un circuito con una batería con una terminal positiva y una negativa, la terminal negativa generalmente se llama tierra.

Algunos circuitos tienen conexiones llamadas positivo, negativo y tierra. En estos casos, la tierra es el punto medio entre los terminales negativo y positivo medidos en voltaje. Si el voltaje es nueve, el plano de tierra sería de 4,5 voltios. Sin embargo, llamaría a la tierra cero, al terminal positivo 4,5 voltios y al terminal negativo -4,5 voltios. Puede hacer esto porque el voltaje es una medida entre dos puntos y todavía hay una diferencia de nueve entre 4,5 y -4,5.

El uso inadecuado de las técnicas de puesta a tierra puede reducir drásticamente el rendimiento de un sistema. Debe administrar varios aspectos de la conexión a tierra, incluido el control de voltajes de retorno de señal y tierra espurios, que pueden empeorar el rendimiento. El acoplamiento de señales externas, las corrientes comunes y otros problemas pueden causar estos voltajes. El enrutamiento y dimensionamiento adecuados de los conductores, el manejo de señales diferenciales y el uso de técnicas de aislamiento a tierra ayudan a controlar estos voltajes no deseados.

También hay consideraciones especiales cuando se trabaja en un entorno analógico y digital de señal mixta. La conexión a tierra puede ayudar a minimizar el ruido cuando se trabaja con señales que tienen un amplio rango dinámico.

Terminología de puesta a tierra

Hay varios tipos de nodos que se denominan terrenos, incluidos terrenos flotantes, terrenos virtuales y terrenos terrestres.

• Terrenos flotantes: Estos nodos son puntos de referencia en un sistema aislado y no están físicamente conectados a tierra.
• Campos virtuales: Estos nodos se pueden encontrar en un circuito de retroalimentación negativa en la terminal inversora de un amplificador operacional. Cuando la entrada no inversora está en cero voltios, la retroalimentación hará que el terminal inversor coincida en un circuito estable. El valor no es un retorno estable para otros circuitos y solo se mantiene mediante retroalimentación.
• Tierra de CA: Estos nodos tienen valores de CC de baja impedancia. Este voltaje de CC es estable incluso cuando se expone a pequeñas perturbaciones. Debido a su valor de CC, este nodo no se puede usar como una conexión a tierra adecuada, pero debido a que es estable, se puede usar como un punto de referencia.
• Tierra a tierra: En un sistema eléctrico grande, la conexión a tierra es literalmente una conexión a tierra. Cada casa, por ejemplo, tiene un poste de cobre que se clava en la tierra para agotar las corrientes excedentes.
• Tierra del chasis: La electrónica en una PCB no puede conectarse a la tierra física, pero la tierra del chasis tiene el mismo propósito. Esta conexión a tierra es la conexión de un cable de seguridad desde la red eléctrica de CA hasta la carcasa o el chasis del producto.

Debido a que la conexión a tierra y la conexión a tierra del chasis cumplen la misma función, estos términos a menudo se usan indistintamente junto con el término conexión a tierra de seguridad.

Cuando se trata de conectar a tierra una PCB, no existe un enfoque único para todos. Para determinar la mejor manera de conectar a tierra un sistema, debe comprender la forma en que fluyen las corrientes dentro de él. Sin embargo, hay varios métodos para elegir y algunos consejos para las mejores prácticas de conexión a tierra que se aplican en la mayoría de los sistemas. Para determinar el enfoque que funciona para su placa, deberá asegurarse de comprender el diseño de la placa y es posible que deba probar varias técnicas.

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Técnicas de puesta a tierra de PCB

Existen varias técnicas que se pueden utilizar para conectar a tierra una PCB. Los siguientes son algunos de los enfoques más comunes utilizados en la actualidad.

1. Plano de tierra

Una técnica común es usar un plano de tierra, que es una gran pieza de cobre en una PCB. Por lo general, los fabricantes de PCB cubrirán todas las áreas que no tienen un componente o rastro con el plano de tierra de cobre.

En una placa de dos capas, las reglas estándar del plano de tierra de PCB indican que el plano de tierra debe colocarse en la capa inferior de la placa, mientras que los componentes y las señales se encuentran en la capa superior.

Es mejor evitar crear un anillo de material conductor formado por el plano de tierra, ya que esto hace que el plano de tierra sea más susceptible a la interferencia electromagnética (EMI). Este anillo conductor actúa como un inductor y un campo magnético externo puede causar una corriente eléctrica llamada bucle de tierra. Puede terminar con un anillo conductor si coloca el plano de tierra sobre toda la capa inferior y luego quita las partes que tienen componentes electrónicos. Para evitar este problema, haga trazos lo más cortos posible y, después de mapearlos, coloque su plano de tierra para que corra completamente debajo de ellos. Es posible que deba ajustar el diseño de las trazas y los componentes para evitar tener que crear anillos conductores.

El plano de tierra también suele estar a ambos lados del tablero. En algunos casos, el plano del lado del componente se mantiene con el voltaje de alimentación y el plano del otro lado de la placa se conecta a tierra. El plano de tierra está conectado a los pines de tierra de los componentes y conectores para mantener el voltaje de tierra al mismo nivel en toda la PCB.

En una PCB de dos capas, también puede usar más de un plano de tierra. Cada avión debe conectarse a la fuente de alimentación individualmente para mantener los aviones separados y evitar que se produzcan bucles de tierra.

2. Vías de plano de tierra

Si hay planos de tierra en ambos lados de la PCB, se conectarán a través de vías en muchos lugares diferentes de la placa. Estas vías son orificios que atraviesan la placa y conectan los dos lados entre sí. Le permiten acceder al plano de tierra desde cualquier lugar que pueda caber en una vía.

El uso de vías puede ayudarlo a evitar bucles de tierra. Conectan los componentes directamente a los puntos de tierra, que se conectan a través de baja impedancia a todos los demás puntos de tierra del circuito. También ayudan a mantener corta la longitud de los bucles de retorno.

Los pedazos de cobre, como los planos de tierra, pueden resonar a un cuarto de la longitud de onda de la frecuencia de la corriente que fluye hacia ellos. Poner vías de costura alrededor del plano de tierra a intervalos específicos puede ayudar a controlar esto. Una regla general práctica es colocar vías de tierra a un octavo de longitud de onda o menos. Esto funciona porque un trozo en un rastro solo comienza a convertirse en un problema en un octavo de longitud de onda.

Para crear vías, taladre pequeños orificios a través de la placa y pase cables de cobre delgados a través de ellos antes de soldarlos en cada lado para formar las conexiones necesarias.

3. Conexión a tierra

Todos los conectores de una placa de circuito impreso deben estar conectados a tierra. En los conectores, todos los conductos de señales deben correr en paralelo. Debido a esto, debe separar los conectores usando pines de tierra.

Es probable que cada placa necesite más de un pin de conector que conduzca a tierra. Tener solo un pin puede causar problemas con la falta de coincidencia de impedancia, lo que puede causar oscilaciones. Si la impedancia de dos conductores conectados no coincide, la corriente que fluye entre ellos puede rebotar de un lado a otro. Estas oscilaciones pueden alterar el rendimiento del sistema y hacer que no funcione según lo previsto. La resistencia de contacto de cada pin de un conector es baja pero puede aumentar con el tiempo. Por esta razón, es ideal usar múltiples pines de tierra. Aproximadamente del 30 al 40 por ciento de los pines en un conector de PCB deben ser pines de tierra.

Los conectores vienen en varios pasos y pueden tener diferentes números de filas de pines. Los pines de un conector también pueden estar paralelos a la superficie de la PCB o en ángulo recto.

4. Desacoplamiento

Los PCB contienen uno o más chips de circuitos integrados, que requieren energía para funcionar. Estos chips tienen pines de suministro para conectarlos a una fuente de alimentación externa. También tienen pines de tierra, que los conectan al plano de tierra de la PCB. Entre los pines de suministro y tierra, hay un condensador de desacoplamiento, que sirve para suavizar las oscilaciones en el voltaje que se suministra al chip. El extremo opuesto del condensador de desacoplamiento se conecta al plano de tierra.

Una de las principales razones para el uso de condensadores de desacoplamiento está relacionada con la funcionalidad. Un condensador de desacoplamiento puede actuar como un dispositivo de almacenamiento de carga. Cuando el circuito integrado (IC) requiere corriente adicional, el capacitor de desacoplamiento puede proporcionarla a través de una ruta de baja inductancia. Debido a esto, es mejor colocar capacitores de desacoplamiento cerca de los pines de alimentación del IC.

Otro objetivo principal es reducir el ruido que se genera en los pares de planos de alimentación y tierra y reducir la EMI. Dos problemas principales pueden causar este ruido. Uno es un condensador de desacoplamiento que no proporciona la corriente adecuada, lo que provoca la reducción temporal del voltaje en el pin de alimentación del IC. La otra es una corriente intencional enviada entre los planos de alimentación y tierra mediante una vía con una señal de conmutación rápida.

Debe elegir la ubicación y la cantidad de capacitores de desacoplamiento para un diseño basado en sus dos funcionalidades. A menudo, distribuir los condensadores en toda la placa es el mejor enfoque:intente colocar algunos cerca de la tierra del IC y los pines de alimentación para usar. También se recomienda usar el valor más alto de capacitancia, y es mejor mantener todos los capacitores en el mismo valor. También es posible que desee utilizar una combinación de alta resistencia en serie equivalente (ESR) y condensadores normales.

Reglas de puesta a tierra de PCB para recordar

La conexión a tierra es una parte esencial de cualquier diseño de PCB. Todos los diseños de PCB deben seguir ciertas prácticas de puesta a tierra. Aquí hay varios consejos para recordar al conectar a tierra.

1. Asegúrese de que todo esté adjunto

Asegúrese de que nada en su diseño de PCB esté suelto. Es recomendable llenar cualquier espacio abierto con cobre y vías que se conecten a su placa de tierra. Al hacerlo, se asegura de que haya una ruta estructurada que permita que todas sus señales lleguen al suelo de manera eficiente.

2. Mantenga su capa base completa

Si tiene una capa de suelo dedicada, como muchas placas de cuatro capas, asegúrese de que no haya ningún rastro de ruta en ella. Dividir su capa de tierra agregando trazas de ruta crea un bucle de corriente de tierra. En su lugar, asegúrese de que la capa base permanezca entera.

3. Tener un punto de tierra común

Cada PCB debe tener un solo punto donde se unen todos los terrenos. A menudo, este es el marco de metal o el chasis del producto. También podría ser una capa dedicada del tablero. Este único punto a menudo se denomina estrella a tierra porque los diversos conductores se extienden desde esta ubicación en un patrón que se parece un poco a una estrella. En aplicaciones de señal mixta, puede haber fuentes de alimentación analógicas y digitales separadas que tengan tierra analógica y digital separadas que se encuentren en el punto de estrella.

4. Minimice el uso de vías en serie

Lo mejor es minimizar el número de vías a lo largo de las rutas de tierra y enviar las tierras de los componentes lo más directamente posible al plano de tierra. Agregar vías adicionales a una placa crea más impedancia. Esta consideración es especialmente crucial para las corrientes transitorias rápidas que pueden causar que una ruta de impedancia se convierta en un diferencial de voltaje.

5. Diseño de puesta a tierra antes del enrutamiento

El suelo debe diseñarse antes de cualquier enrutamiento. El suelo es la base del proceso de enrutamiento, por lo que es crucial diseñar el suelo correctamente. Si una conexión a tierra está mal diseñada, todo el dispositivo está en riesgo, mientras que este no es el caso si una señal no funciona como se esperaba.

6. Comprenda cómo fluyen sus corrientes

Comprender a dónde van las corrientes en un tablero puede ayudar a garantizar una conexión a tierra adecuada. Es esencial considerar hacia dónde se dirige la señal, así como el camino de regreso que tomará. La ruta de envío y retorno de una señal tienen la misma corriente, y esto puede afectar el rebote del suelo y la estabilidad de la energía.

7. Prepárese para la variación dinámica entre terrenos

En un sistema de varias placas, cuando se envían conexiones a tierra entre placas, es importante planificar una variación dinámica. Es especialmente crítico cuando se trata de aplicaciones que requieren cables de larga distancia. Los aisladores ópticos, las señales diferenciales de bajo voltaje y los estranguladores de modo común pueden ayudar a mantener la variación bajo control.

8. Tenga en cuenta las consideraciones de señal mixta

Cuando trabaje con señales analógicas y digitales juntas, debe tener cuidado en su planificación. Las partes analógicas de la placa deben mantenerse aisladas, incluidos los convertidores de analógico a digital (ADC) y los convertidores de digital a analógico. Puede vincular la tierra de un ADC a un punto de tierra común donde puede pasar señales digitales a otras secciones de la PCB.

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La conexión a tierra adecuada es una consideración crucial para todos los PCB. A menudo hay confusión en torno a este concepto, y la implementación puede ser difícil. Asegurarse de comprender el flujo de corriente en su diseño y emplear algunas de las prácticas y técnicas descritas en este artículo puede ayudar.

Asociarse con un proveedor experimentado de PCB como Millennium Circuits también puede ayudar. Podemos ayudarlo a garantizar que reciba PCB que utilicen las técnicas de conexión a tierra adecuadas para sus aplicaciones. Contáctenos si tiene alguna pregunta o si necesita ayuda para encontrar las PCB perfectas para su próximo proyecto. Solicite una cotización rápida para comenzar hoy.

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