Reglas Efectivas de Particionado de PCB para una Mejor Compatibilidad Electromagnética

La compatibilidad electromagnética (CEM) se refiere a la capacidad de los dispositivos electrónicos para funcionar correctamente en un entorno electromagnético compartido, sin interferencias mutuas. En términos sencillos, la CEM permite que los equipos operen de forma independiente y normal, siendo compatibles entre sí en el sistema completo. Dado que la CEM se logra controlando la interferencia electromagnética (EMI), su evolución ha ido acompañada de estudios sobre introducción de EMI, investigación, soluciones anti-EMI y gestión de EMI.

Principios Fundamentales de la CEM

Para reducir la interferencia entre señales digitales y analógicas, primero se deben conocer dos principios básicos:

• Principio 1: El área del bucle de circuito debe minimizarse.
• Principio 2: Solo puede aplicarse un único plano de referencia en el sistema.

Si no se cumple el Principio 1 y las señales atraviesan un área de bucle grande, se crea una antena de bucle grande. Si falla el Principio 2 y hay dos planos de referencia, se forma una antena dipolo. Ambos resultados son indeseables.

Reglas y Aplicaciones de Particionado en PCB de Señales Mixtas

Suele recomendarse separar la tierra digital y la analógica en una misma placa de señales mixtas para aislarlas. Aunque es factible, surgen problemas latentes, especialmente en sistemas de gran escala. El problema crítico es que el enrutamiento no puede cruzarse a través de la división entre tierras digital y analógica. Si se cruza, la radiación electromagnética y la diafonía aumentan drásticamente. El problema más común en diseño de PCB es la EMI causada por líneas de señal que cruzan tierras o planos de alimentación divididos.

La Figura 1 ilustra esta situación.

Con este método de división, las líneas de señal deben cruzar la separación. ¿Cómo es el camino de retorno? Si las dos tierras divididas se conectan en un solo punto, se genera un gran bucle en el circuito de tierra. La corriente de alta frecuencia que fluye por ese bucle produce alta capacitancia a tierra y radiación. Si una señal analógica de bajo nivel cruza ese bucle, será susceptible a interferencias externas. El peor caso ocurre cuando la tierra dividida se conecta a la alimentación, formando un bucle extremadamente grande. Además, una antena dipolo se forma si las tierras analógica y digital se conectan mediante un conductor largo. Por tanto, los ingenieros deben conocer la ruta y el método del circuito de retorno en la optimización de PCB de señales mixtas. Sin embargo, muchos solo observan el flujo de la señal sin considerar la ruta específica del retorno.

Si el plano de tierra debe dividirse y el enrutamiento debe cruzar la división, primero se puede implementar una conexión de punto único entre ambas tierras mediante un puente, proporcionando un camino de retorno de corriente continua bajo cada línea de señal con un área de bucle pequeña, como muestra la Figura 2.

El uso de dispositivos de aislamiento óptico o transformadores también permite cruzar la división. En el aislamiento óptico, son señales ópticas las que cruzan; en transformadores, es el campo magnético. Otro método aplicable es el uso de señales diferenciales: la señal fluye por una línea y regresa por la otra, sin requerir tierra como camino de retorno.

Cuándo Aplicar la Partición Dividida

• Caso 1: Equipos médicos que requieren corriente de fuga muy baja entre el circuito conectado al paciente y el sistema.
• Caso 2: Entradas de equipos de control industrial conectados a dispositivos electromecánicos ruidosos y de alta potencia.
• Caso 3: Limitaciones en el layout de la PCB.

En PCB de señales mixtas suele haber alimentaciones digitales y analógicas independientes, y los planos de alimentación divididos pueden y deben usarse. Sin embargo, las líneas de señal cercanas a los planos de alimentación no deben cruzar la división entre alimentaciones; todas las líneas que crucen esa división deben estar adyacentes a planos conductores de gran área. En algunos casos, los problemas de división de planos de alimentación se evitan diseñando la alimentación analógica como pistas de cobre en lugar de un plano.

Método de Layout del Plano de Tierra y Aplicaciones en PCB de Señales Mixtas

Para analizar la interferencia que las señales digitales dejan en las analógicas, primero hay que entender los atributos de la corriente de alta frecuencia. Esta siempre sigue el camino de impedancia mínima (menor inductancia) y discurre directamente bajo las señales. Por tanto, la corriente de retorno fluirá por el plano adyacente, sea de alimentación o de tierra. En la práctica, se suele usar el plano de tierra, particionando la placa en sección analógica y digital. Las señales analógicas se enrutan en la sección analógica de todos los planos, y las digitales en la sección digital. Así, la corriente de retorno digital no fluye hacia la tierra analógica. Si se enrutan señales digitales sobre la sección analógica o viceversa, se genera interferencia.

Estos problemas no provienen de la ausencia de tierra dividida, sino del layout inadecuado de las señales digitales. En el diseño de PCB, el uso del plano de tierra, la partición por circuitos digitales/analógicos y un enrutamiento razonable suelen resolver los problemas difíciles de layout y partición, evitando además problemas potenciales de la tierra dividida. Por tanto, el layout y la partición de componentes son elementos clave que determinan la calidad del diseño. Si son adecuados, la corriente en la tierra digital se limitará a la sección digital, impidiendo interferencias en las señales analógicas. El layout debe inspeccionarse cuidadosamente para garantizar el cumplimiento total de las reglas; de lo contrario, incluso una línea mal colocada puede arruinar toda la placa.

Cuando los pines AGND y DGND de un convertidor A/D se conectan juntos, la mayoría de fabricantes sugieren conectar ambos pines a la misma tierra de baja impedancia mediante los conductores más cortos posibles. Esto se debe a que esos pines no están conectados internamente en la mayoría de CI A/D, y cualquier impedancia externa conectada a DGND acoplaría más ruido digital al circuito analógico interno a través de capacitancia parásita. Por tanto, ambos pines AGND y DGND deben conectarse a la tierra analógica. Surge entonces la duda de si la tierra analógica o la digital debe conectarse al terminal de tierra del condensador de desacoplo de señales digitales.

En un sistema con un solo convertidor A/D, el problema se resuelve fácilmente: con la tierra separada, las secciones analógica y digital se conectan bajo el convertidor. El puente entre ambas tierras debe ser tan ancho como el CI y ninguna línea de señal debe cruzar la división.

En un sistema con varios convertidores A/D (por ejemplo, 10), si se conectan ambas tierras bajo cada CI, se crean conexiones multipunto, perdiendo el aislamiento. Si no se conectan así, no se cumple el requisito del fabricante. La solución óptima es usar una tierra unificada dividida en secciones analógica y digital. Este layout cumple el requisito de baja impedancia entre AGND y DGND exigido por los fabricantes de CI y evita problemas de CEM como antenas de bucle o dipolo.

Si el ingeniero duda del uso de tierra unificada, puede diseñar con división de plano de tierra, dejando accesible la placa para un jumper o resistencia de 0 Ω que una las tierras divididas. Debe prestarse mucha atención a la partición y el layout para asegurar que ninguna línea digital esté sobre la sección analógica ni viceversa, y que ninguna línea cruce la división de tierra o la que aísla alimentaciones. Para probar la función y CEM de la PCB, se unen las dos tierras mediante resistencia de 0 Ω o jumper y se vuelve a probar. La comparación muestra que en todos los casos la solución de tierra unificada es superior a la de tierra dividida en funcionalidad y CEM.

El diseño de PCB de señales mixtas es un proceso complejo. La placa debe particionarse en secciones analógica y digital independientes, colocando el convertidor A/D entre ambas. Para separar alimentaciones analógicas y digitales, las líneas de señal no deben cruzar la división entre planos de alimentación aislados; las que deban cruzar deben situarse en la capa adyacente a un área conductora grande. Se debe analizar dónde y cómo fluye la corriente de retorno para aplicar un layout de componentes adecuado y reglas de enrutamiento correctas. En todas las capas, las señales digitales solo pueden enrutarse en la sección digital y las analógicas en la analógica.

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