Dominando la Tierra en PCB: Técnicas Esenciales para Diseño de Circuitos Confiables

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• ¿Qué es una Tierra?
• Terminología de Tierra
• Técnicas de Tierra en PCB
• Qué Recordar al Tierra
• Asegurar que Todo Está Conectado
• Mantener la Capa de Tierra Completa
• Minimizar el Uso de Vias en Serie
• Tener un Punto de Tierra Común

La tierra es un concepto crítico para cualquier circuito electrónico y cualquier sistema que trate con corriente eléctrica. Todo, desde la red eléctrica hasta un hogar hasta una placa de circuito impreso (PCB), tiene una tierra. Los PCB son críticos para el funcionamiento de casi toda la electrónica, y cada PCB necesita una tierra adecuada para funcionar correctamente.

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

¿Qué es un Plano de Tierra en 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. La tierra es la referencia contra la cual basa la señal.

En electrónica, la tierra es el nombre dado a un cierto punto en el circuito. En un circuito con una batería con terminales positivo y negativo, el terminal negativo 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 medido en voltaje. Si el voltaje es nueve, el plano de tierra sería 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 medición entre dos puntos, y todavía hay una diferencia de nueve entre 4.5 y -4.5.

El uso inadecuado de técnicas de tierra puede reducir dramáticamente el rendimiento de un sistema. Debe gestionar varios aspectos de la tierra, incluyendo el control de voltajes de retorno de señal y tierra espurios, que pueden empeorar el rendimiento. El acoplamiento de señal externo, corrientes comunes y otros problemas pueden causar estos voltajes. Enrutar y dimensionar correctamente los conductores, emplear manejo de señal diferencial y usar técnicas de aislamiento de tierra ayudan a controlar estos voltajes no deseados.

También hay consideraciones especiales al trabajar en un entorno mixto analógico y digital. La tierra puede ayudar a minimizar el ruido al trabajar con señales que tienen un amplio rango dinámico.

Terminología de Tierra

Hay varios tipos de nodos que se llaman tierras, incluyendo tierras flotantes, tierras virtuales y tierras de tierra.

• Tierras flotantes: Estos nodos son puntos de referencia en un sistema aislado y no están físicamente conectados a la tierra.
• Tierras virtuales: Estos nodos se pueden encontrar en un circuito de retroalimentación negativa en el terminal inversor de un amplificador operacional. Cuando la entrada no inversora está a 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 por retroalimentación.
• Tierras AC: Estos nodos tienen valores DC de baja impedancia. Este voltaje DC es estable incluso cuando se expone a pequeñas perturbaciones. Debido a su valor DC, este nodo no puede usarse como tierra adecuada, pero debido a que es estable, puede usarse como punto de referencia.
• Tierras de tierra: En un gran sistema eléctrico, la tierra de la tierra es literalmente una conexión al suelo. Cada casa, por ejemplo, tiene un poste de cobre que se clava en la tierra para drenar corrientes excedentes.
• Tierras de chasis: La electrónica en un PCB no puede conectarse a la tierra física, pero una tierra de chasis sirve el mismo propósito. Esta tierra es la conexión de un cable de seguridad desde la red AC hasta la carcasa o chasis del producto.

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

Cuando se trata de tierra en un PCB, no hay un enfoque único para todos. Para determinar la mejor manera de tierra un sistema, necesita entender cómo fluyen las corrientes dentro de él. Sin embargo, hay varios métodos para elegir y algunos consejos para las mejores prácticas de tierra que se aplican a la mayoría de los sistemas. Para determinar el enfoque que funciona para su placa, necesitará asegurarse de entender el diseño de la placa y puede necesitar probar varias técnicas.

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Técnicas de Tierra en PCB

Hay varias técnicas que se pueden usar para tierra en un PCB. Las siguientes son algunos de los enfoques más comunes usados hoy.

1. Plano de Tierra

Una técnica común es usar un plano de tierra, que es una gran pieza de cobre en un PCB. Típicamente, los fabricantes de PCB cubrirán todas las áreas que no tengan un componente o pista con el plano de tierra de cobre.

En una placa de dos capas, las reglas estándar de 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 pistas de señal están 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 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 elimina las partes que tienen componentes electrónicos. Para evitar este problema, haga las pistas lo más cortas posible, y después de mapearlas, ponga su plano de tierra de modo que corra completamente debajo de ellas. Puede necesitar ajustar el diseño de pistas y componentes para evitar tener que crear anillos conductores.

El plano de tierra también a menudo está en ambos lados de la placa. En algunos casos, el plano en el lado de los componentes se mantiene en el voltaje de alimentación, y el plano en el otro lado de la placa está conectado 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 a través de todo el PCB.

En un PCB de dos capas, también puede usar más de un plano de tierra. Cada plano debe conectarse a la fuente de alimentación individualmente para mantener los planos separados y prevenir bucles de tierra.

2. Vias de Plano de Tierra

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

El uso de vias puede ayudar 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.

Piezas 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 en él. Poner vias de cosido alrededor del plano de tierra en intervalos específicos puede ayudar a controlar esto. Una regla práctica es colocar vias de tierra a un octavo de una longitud de onda o menos. Esto funciona porque un stub en una pista solo comienza a ser un problema a un octavo de una longitud de onda.

Para crear vias, taladra pequeños orificios a través de la placa y pasa alambres de cobre delgados a través de ellos antes de soldarlos en cada lado para formar las conexiones necesarias.

3. Tierras de Conector

Todos los conectores en un PCB deben estar conectados a tierra. En los conectores, todos los conductores de señal deben correr en paralelo. Debido a esto, debe separar los conectores usando pines de tierra.

Cada placa probablemente necesitará más de un pin de conector que lleve a tierra. Tener solo un pin puede causar problemas con desajuste 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 como se pretende. 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 ser paralelos a la superficie del PCB o en ángulo recto a ella.

4. Desacoplamiento

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

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

Otro propósito principal es reducir el ruido introducido en los pares de planos de alimentación y tierra y reducir la EMI. Dos problemas principales pueden causar este ruido. Uno es un capacitor de desacoplamiento que no proporciona corriente adecuada, resultando en la bajada temporal del voltaje en el pin de alimentación del IC. El otro es una corriente intencional enviada entre los planos de alimentación y tierra usando una via con una señal de conmutación rápida.

Debe elegir la ubicación y número de capacitores de desacoplamiento para un diseño basándose en sus dos funcionalidades. A menudo, distribuir los capacitores por toda la placa es el mejor enfoque — intente colocar algunos cerca de los pines de tierra y alimentación del IC para usar. Usar el valor de capacitancia más alto también se recomienda, y es mejor mantener todos los capacitores al mismo valor. También puede querer usar una combinación de capacitores de alta resistencia serie equivalente (ESR) y normales.

Reglas de Tierra en PCB para Recordar

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

1. Asegurar que Todo Está Conectado

Asegúrese de que nada en su diseño de PCB quede desconectado. Es aconsejable llenar cualquier espacio abierto con cobre y vias que se conecten a su placa de tierra. Al hacerlo, garantiza que hay un camino estructurado que permite que todas sus señales lleguen a tierra eficientemente.

2. Mantener su Capa de Tierra Completa

Si tiene una capa de tierra dedicada, como muchas placas de cuatro capas, asegúrese de que no haya pistas de ruta en ella. Dividir su capa de tierra agregando pistas de ruta crea un bucle de corriente de tierra. En su lugar, asegúrese de que la capa de tierra se mantenga completa.

3. Tener un Punto de Tierra Común

Cada PCB debe tener un único punto donde todas las tierras se unan. A menudo, este es el marco metálico o chasis del producto. También podría ser una capa dedicada de la placa. Este punto único a menudo se refiere como tierra en estrella porque los varios conductores se extienden desde esta ubicación en un patrón que se asemeja algo a una estrella. En aplicaciones de señal mixta, puede haber fuentes de alimentación analógicas y digitales separadas que tienen tierras analógicas y digitales separadas que se encuentran en el punto estrella.

4. Minimizar el Uso de Vias en Serie

Es mejor minimizar el número de vias a lo largo de sus caminos de tierra y enviar las tierras de los componentes lo más directamente posible al plano de tierra. Agregar vias adicionales a una placa crea más impedancia. Esta consideración es especialmente crucial para corrientes transitorias rápidas que pueden hacer que un camino de impedancia se convierta en una diferencia de voltaje.

5. Diseñar la Tierra Antes del Enrutamiento

La tierra debe diseñarse antes de cualquier enrutamiento. La tierra es la base para el proceso de enrutamiento, por lo que es crucial diseñar la tierra correctamente. Si una tierra se diseña mal, todo el dispositivo está en riesgo, mientras que esto no es el caso si una señal no funciona como se espera.

6. Entender Cómo Fluyen sus Corrientes

Entender a dónde van las corrientes en una placa puede ayudar a asegurar una tierra adecuada. Es esencial considerar a dónde va la señal así como el camino de retorno que tomará. El camino de envío y retorno de una señal tienen la misma corriente, y esto puede afectar el rebote de tierra y la estabilidad de la alimentación.

7. Prepararse para Varianza Dinámica entre Tierras

En un sistema de múltiples placas, al enviar conexiones de tierra entre placas, es importante planificar una varianza dinámica. Es especialmente crítico al tratar con aplicaciones que requieren cables de larga distancia. Aisladores ópticos, señales diferenciales de bajo voltaje y chokes de modo común pueden ayudar a mantener la varianza bajo control.

8. Tener en Cuenta Consideraciones de Señal Mixta

Al tratar con señales analógicas y digitales juntas, debe ser cuidadoso en su planificación. Las partes analógicas de la placa deben mantenerse aisladas, incluyendo convertidores analógico-digitales (ADC) y convertidores digital-analógicos. Puede conectar la tierra de un ADC de vuelta a un punto de tierra común donde puede pasar señales digitales a otras secciones del PCB.

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La tierra adecuada es una consideración crucial para todos los PCB. A menudo hay confusión alrededor de este concepto, y la implementación puede ser difícil. Asegurarse de que entiende 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 de PCB experimentado como Millennium Circuits también puede ayudar. Podemos ayudar a asegurar que reciba PCB que usen las técnicas de tierra adecuadas para sus aplicaciones. Contáctenos con cualquier pregunta o para ayuda encontrando los PCB perfectos para su próximo proyecto. Solicite una cotización rápida para comenzar hoy.

 

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