Siga su trayectoria de retorno a tierra multicapa para prevenir la EMI

Seguir el camino de regreso a tierra puede volverse complejo en una PCB multicapa complicada. Cuando tu PCB tiene un pequeño número de capas (por ejemplo, una placa de 4 capas con dos capas de plano), se vuelve relativamente fácil determinar el camino de retorno y diseñarlo deliberadamente para prevenir la EMI. La situación se complica cuando trabajas con un mayor número de capas. Múltiples capas de plano y conductores pueden formar el camino de retorno a tierra, incluso si el conductor no está conectado a tierra. Aquí es donde ayuda distinguir entre planos de tierra y planos de referencia, ya que ambos pueden formar parte del camino de retorno en tu PCB.

Camino de Retorno a Tierra vs. Planos de Referencia

Los planos de referencia son una parte inherente del camino de transmisión de señal. Ya sea que estén colocados intencionalmente en tu placa, como un plano de tierra para trazas de señal, o un plano de referencia no intencional que se encuentra cerca de las trazas de señal, puede ser difícil determinar si no sigues cuidadosamente la ubicación de las trazas de señal a lo largo de tu placa. El camino de retorno a tierra para una señal puede no fluir realmente a través de la tierra; podría pasar a través del chasis, un plano de potencia, u otro conductor conectado a tierra.

No importa por dónde transcurra el camino de retorno en tu placa, siempre intentará regresar al punto de bajo potencial en la placa, es decir, al punto de retorno a tierra hacia la fuente de alimentación. Ya sea que la señal de retorno se induzca en tu chasis, plano de potencia u otro conductor, será atraída de vuelta a tierra debido a la diferencia de potencial entre tu conductor a tierra y un conductor mantenido a un potencial más alto.

Además de ser una característica del ringing mientras una señal se propaga, el camino de retorno de una señal determina el siguiente comportamiento:

• Susceptibilidad a EMI. La inductancia de bucle creada por un camino de retorno determina la susceptibilidad de un circuito a EMI. Un circuito con un bucle de corriente grande tendrá una inductancia parásita mayor, haciéndolo más susceptible a EMI radiada. La inductancia de bucle es menor cuando el bucle es más ajustado. Esta es una razón por la cual las pistas de señales de alta velocidad deben ser trazadas cerca de un plano de referencia en una capa adyacente.

• Interferencia en tarjetas de señal mixta. La capacitancia parásita entre un conductor que lleva señal y su conductor de referencia más cercano, así como el bucle creado por el circuito, determinan la reactancia vista por una señal de conmutación. Debido a que la reactancia es una función del contenido de frecuencia en tu señal, el camino de retorno de la señal se vuelve más difícil de predecir a frecuencias moderadas. Lee esta guía para aprender más sobre el diseño de un camino de retorno de señal mixta para una capa de plano única.

• Camino del ruido de modo común. El ruido de modo común, una vez inducido en una traza dada, intentará seguir el mismo camino que tu señal de vuelta a tierra. El camino exacto de retorno a tierra seguido por el ruido de modo común depende de su contenido de frecuencia ya que esto determina la reactancia vista por la señal.

La situación se vuelve más complicada cuando estamos enrutando en un apilado de múltiples capas con varias capas de plano ya que el conductor de referencia puede cambiar a lo largo del camino de la señal. Las principales cantidades que determinan el plano de referencia inicial son la capacitancia parásita entre la traza de señal y el conductor cercano y la inductancia del circuito. Ten en cuenta que la impedancia parásita no está localizada solo a conductores adyacentes gracias a la inductancia, lo que puede crear un camino de retorno a tierra complicado en una tarjeta multicapa.

¿Puedes rastrear la ruta de retorno a tierra para estas pistas?

Volviendo a una Ruta de Retorno a Tierra Sólida

Si has leído lo que he escrito arriba y todavía te estás preguntando qué sucede con la corriente de retorno en un PCB complejo, probablemente te estés preguntando: ¿qué sucede cuando la corriente está acoplada a un plano de tierra u otro conductor conectado a tierra? ¿Por qué sucedería esto en primer lugar? Ambas son preguntas válidas.

Parásitos Entre Conductores Adyacentes

Abordemos primero la segunda pregunta, ya que ayuda a explicar la respuesta a la primera pregunta. La ubicación donde se introduce la ruta de retorno depende de la capacitancia entre la pista de señal y los conductores adyacentes, así como de la autoinductancia del circuito formado por la pista de señal y el conductor en cuestión. Juntas, estas cantidades determinan la impedancia vista por la señal.

La ruta con la menor impedancia (nota, ¡esta ruta puede pasar por el sustrato o por el aire!) es la dirección que sigue la corriente de retorno. Resulta que la ruta que presenta la menor impedancia (es decir, el acoplamiento más fuerte) entre la pista de señal y el conductor candidato resulta ser el conductor más cercano, ya que esta ruta generalmente proporciona la mayor capacitancia y la menor inductancia.

Planos de Potencia como Camino de Retorno a Tierra

Esto explica por qué un plano de potencia puede actuar como un conductor de referencia si está más cerca de una traza de señal dada que el plano de tierra más cercano. La impedancia capacitiva/inductiva entre el plano de potencia y la traza de señal puede ser mucho mayor que esos valores entre la traza y su plano de tierra más cercano. La historia que hemos contado aquí describe efectivamente cómo una señal puede cambiar de planos de referencia a medida que atraviesa más de una capa en un PCB multicapa.

Ejemplo de camino de retorno para una señal que atraviesa un plano de potencia en un PCB multicapa.

Ahora, una tercera pregunta: ¿cómo regresa una señal de retorno acoplada a un plano de potencia a un camino de retorno a tierra? El plano de potencia y la capa del plano de tierra tendrán alguna capacitancia entre planos, lo que permite que la corriente de retorno se acople de nuevo en el plano de tierra. En el caso de que los capacitores de desacoplamiento estén conectados entre un puerto de potencia y el plano de tierra, también contribuirán con alguna impedancia capacitiva e inductiva para una señal de retorno inducida en el plano de potencia.

El diseñador astuto debe darse cuenta de que, en general, no se debe trazar sobre un plano de alimentación a menos que se pueda asegurar un acoplamiento de baja impedancia de vuelta a GND para la trayectoria de retorno, particularmente en placas de alta velocidad/alta frecuencia. Siempre debes diseñar tu placa teniendo en cuenta la trayectoria de retorno para reducir la EMI. Típicamente, la trayectoria de retorno al trazar sobre un plano PWR sería proporcionada por decoupling caps cercanos, cualquier vía que conecte regiones de tierra, o como corriente de desplazamiento acoplada capacitivamente desde el plano PWR al plano GND. El peligro aquí es que la trayectoria de retorno es difícil o imposible de rastrear a través de la placa, especialmente en configuraciones de 4 capas, lo que creará una fuerte fuente de EMI debido a la creación de un gran bucle de corriente y/o una trayectoria de retorno de alta impedancia.

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