Guía experta: Diseño de planos de imagen para PCB de alta velocidad

Actualmente, los PCB multicapa se usan en la mayoría de sistemas de circuitos de alta velocidad, y muchos sistemas tienen numerosas fuentes de alimentación, imponiendo requisitos estrictos al diseño de planos de imagen, especialmente la relación entre múltiples planos de potencia/tierra. Además, se debe diseñar una superficie de cobre especial en la capa de dispositivos para evitar que los osciladores generen energía RF (radiofrecuencia) y proporcionar excelente disipación para componentes de alta potencia.

Funciones de los planos de imagen

Los planos de imagen son una superficie de cobre adyacente a las capas de señal en PCB. Sus funciones principales incluyen:

1). Reducir ruido de retorno y EMI (Interferencia Electromagnética). Los planos de imagen proporcionan caminos de baja impedancia para el retorno de señal, especialmente cuando fluye gran corriente en el sistema de distribución de energía. Además, reducen el área del bucle cerrado formado por señal y retorno, disminuyendo la EMI.

2). Controlar diafonía entre líneas de señal en circuitos digitales de alta velocidad. La diafonía viene determinada por la relación D/H, donde D es la distancia entre fuente de interferencia y objeto interferido, y H es la altura de los planos de imagen entre capas de señal. La relación D/H puede controlarse cambiando H, controlando así la diafonía.

3). Controlar impedancia. La impedancia característica del tendido impreso está relacionada con el ancho de las pistas y la altura entre pistas y planos de imagen. Sin plano de imagen, la impedancia puede no controlarse, fallando el acoplamiento de línea de transmisión y produciendo reflexión de señal.

Además, los planos de imagen también controlan el ruido de reflexión hacia placas externas. Hay que reconocer que los planos de imagen por sí solos no son suficientes; se deben complementar con reglas de diseño estrictas para alcanzar los objetivos. Esto significa: para controlar ruido en circuitos digitales de alta velocidad, los planos de imagen son esenciales pero no funcionan solos.

Salto de capa del retorno de señal

En PCB multicapa, cada capa de tendido debe ser adyacente a un plano de imagen y el circuito de retorno fluye en el plano correspondiente. Cuando una línea de señal no pasa por una capa, el método habitual es conectar primero la línea a una capa y luego a otra mediante vias. Por tanto, la línea salta de una capa a otra, y la corriente de retorno sigue el mismo camino. Si ambas capas son de tierra, la corriente puede saltar mediante vias que conectan ambas capas o pines de tierra. Si una es de potencia y la otra de tierra, la única oportunidad de salto es la posición del capacitor de desacoplo. Sin capacitor o vias que conecten la capa de tierra, el retorno debe seguir el camino más largo, desacoplándose de otros circuitos y causando diafonía y EMI.

Por tanto, en el diseño de PCB, el salto de capa debe colocarse en pines de tierra adyacentes a componentes o alrededor del capacitor de desacoplo. Cuando no sea posible, se pueden colocar vias de tierra (salto entre dos capas de tierra) o capacitor de bypass (salto entre capa de potencia y tierra) en el punto de salto para permitir el retorno.

División de planos

En el uso de PCB multicapa, a veces es necesario generar un área sin cobre de cierto ancho, dividiendo un plano de imagen integrado en varias partes independientes, lo que se llama división de planos.

La división se usa para evitar que ruido interfiera circuitos sensibles y aislar diferentes voltajes de referencia, como impedir que ruido digital entre en áreas analógicas, de audio, I/O y aislar voltajes de 5 V y 3,3 V.

La división puede ser completa o incompleta. La primera es aislamiento total entre capas de potencia y tierra tras la división. La segunda es aislamiento total entre capas de potencia mientras las de tierra se conectan mediante "puentes". La elección depende de si hay conexión de señal entre planos divididos.

• Ejemplos de división de planos

La Figura 1 muestra parte del diseño de planos de imagen de un circuito mixto analógico-digital de una plataforma de prueba. La entrada analógica de video se transmite al FPGA por conversión AD y sale como conversión DA. Tanto AD como DA usan componentes de potencia independientes. Los componentes digitales ocupan la mayor parte de la placa, mientras que los analógicos solo una pequeña parte, pero todos son esenciales para el rendimiento del sistema. Por tanto, se debe tener mucho cuidado. Lo ideal es que el ruido digital no entre en la parte analógica. Sin embargo, algunas señales de convertidores AD/DA se conectan al FPGA digital. Para asegurar el retorno de estas señales conectadas, la potencia digital y analógica deben aislarse completamente, mientras que la tierra digital y analógica deben aislarse incompletamente para minimizar la influencia digital sobre la analógica.

Todas las líneas de la parte digital a la analógica deben pasar por el puente, cuya abertura debe ser justa para el paso de cables requeridos, de modo que el retorno de señal de datos pueda volver por el puente, evitando interferencia a otras señales por caminos tortuosos. En este diseño, las tierras de AD y DA están completamente aisladas entre sí.

• Algunos problemas en la división de planos

a. Solapamiento de capas de aislamiento

En PCB multicapa, la división suele usarse para aislar diferentes potencias. Generalmente, las capas de tierra correspondientes a estas potencias se aíslan entre sí, es decir, cada potencia tiene su propia capa de referencia. En el diseño, debe evitarse el solapamiento de capas de aislamiento. Por ejemplo, en la mayoría de PCB multicapa, las capas de potencia y tierra de la parte analógica y digital están aisladas. La capa de potencia analógica y la de tierra digital no deben solaparse espacialmente, como en la Figura 2.

Si aparece una capa de aislamiento solapada, surgirá una pequeña capacitancia de pad C1 en la zona de solapamiento. Esta capacitancia hará que la energía RF se transmita de una capa a otra aislada, estática e independiente, disminuyendo la validez del aislamiento.

b. Colocación de capacitores de desacoplo

Para filtrar ruido de alta frecuencia de componentes de alta velocidad, se colocan muchos capacitores de desacoplo en PCB. Si hay división de planos, en el layout puede ocurrir que los pines de tierra del capacitor no se conecten con otras capas de referencia sino con la capa correspondiente. Este error puede causar desacoplo de ruido de una capa a otra, similar al solapamiento. Por eso debe abordarse en la fase de diseño. Tomemos de nuevo el circuito mixto digital-analógico. La potencia analógica entra desde la parte digital a través de ferrita y C1 es el capacitor de desacoplo digital. En la Figura 3A, los pines de potencia de C1 se conectan a potencia digital mientras los de tierra a tierra analógica, desacoplando ruido digital de alta frecuencia en la parte analógica sensible, lo cual es incorrecto. La Figura 3B muestra una conexión correcta.

c. Puesta a tierra en punto único

Cuando las capas de referencia de diferentes potencias se conectan, debe asegurarse la puesta a tierra en punto único. En el circuito mixto ejemplificado, las placas se clasifican en parte digital y analógica, y ambas tierras tienen al menos dos puntos de conexión, por lo que señales de ruido pueden formar circulación entre las dos capas de referencia a través de los dos puntos, lo que se llama "bucle de tierra". El bucle causa ruido, EMI, consumo energético y dificultad de disipación. La solución es simple: mientras haya solo un punto de conexión entre capas de referencia, no se forma bucle.

Capas de tierra locales

Como parte de los planos de imagen, las capas de tierra locales son un cobre en la superficie superior del PCB, conectado directamente con la capa de tierra interna. Su función principal es capturar el flujo magnético RF generado dentro de algunos chips clave (p.ej., osciladores) o usarse para disipación de potencia.

Para obtener excelente rendimiento, osciladores, cristales y soportes de reloj deben ensamblarse en una capa de tierra local independiente. Las razones incluyen:
1). Si el oscilador va encapsulado en metal, la corriente RF generada dentro puede ser tan grande que sus pines de tierra no logren llevarla a tierra con bajo consumo. El encapsulado se convierte en antena unipolar.
2). Si se usa montaje superficial (SMT), el problema empeora ya que el encapsulado SMT suele usar plástico, impidiendo que la corriente RF llegue al punto de tierra. Finalmente, la corriente RF se irradia al espacio libre y se desacopla con otros componentes.
3). Los osciladores ordinarios pueden impulsar búfer de reloj, componentes de súper alta velocidad y flanco rápido, generando gran cantidad de corriente RF, lo que puede causar fallo de funcionamiento.

Si se ensambla una capa de tierra local en el oscilador y circuito de reloj, se proporcionan planos de imagen para capturar la energía RF generada dentro del oscilador y circuitos correspondientes, reduciendo la radiación RF.

Regla 20-H

Como regla empírica, la regla 20-H describe que en PCB multicapa de alta densidad, para reducir energía electromagnética radiada al espacio libre, el tamaño de la capa de potencia debe ser menor en 20H que el de la capa de tierra, donde H es la distancia entre ambas capas. En la Figura 4, la parte izquierda muestra la capa potencia/tierra sin diseño especial, con radiación de borde fuerte que influye en circuitos adyacentes. La derecha muestra la situación de radiación RF al reducir la superficie de potencia en X-H. Se ve que la capa de tierra atrae muchas líneas de fuerza magnética y la energía de radiación RF disminuye. Según experimentos, la fuerza de radiación RF comienza a bajar desde 10-H; en 20-H, la tierra atrae el 70 % del flujo magnético; en 100-H, la fuerza magnética disminuye un 98 %.

Naturalmente, 20-H no es perfecta para todas las estructuras PCB. Su eficiencia depende de la frecuencia de operación, tamaño físico de capas potencia/tierra y distancia entre ellas, los dos últimos deciden la SRF (frecuencia auto-resonante) de la placa. Investigaciones indican que cuando el PCB opera en cualquier SRF, 20-H no funciona y la tierra no atrae radiación; peor, se genera mucha radiación. Por tanto, en circuitos de alta velocidad prácticos, se deben considerar situaciones específicas al decidir aplicar la regla 20-H.

Recursos útiles

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