Cómo reducir la capacitancia parásita en un diseño de PCB

El ruido en un sistema electrónico viene en muchas formas. Ya sea que se reciba de una fuente externa o se transfiera entre diferentes regiones en un diseño de PCB, el ruido puede ser recibido involuntariamente mediante dos métodos: capacitancia parásita e inductancia parásita. La inductancia parásita es bastante simple de entender y diagnosticar, tanto desde la perspectiva del diafonía como desde la acoplación de ruido aparentemente aleatorio entre diferentes secciones de una placa.

La capacitancia parásita no necesariamente es más difícil de manejar, pero sí requiere entender cómo la geometría del diseño de PCB afectará la capacitancia mutua. En sistemas que operan a altas frecuencias o donde nodos de alto dV/dt pueden crear acoplamiento de ruido capacitivo, algunas elecciones simples en el diseño de PCB pueden ayudarte a reducir los parásitos. En este artículo, describiré de manera general cómo reducir la capacitancia parásita y proporcionaré algunos ejemplos en el enrutamiento de alta frecuencia, así como en un convertidor conmutado.

Identificar y Reducir la Capacitancia Parásita

Aunque no existe una fórmula única para la capacitancia parásita, tiene una definición general:

• La capacitancia parásita es la capacitancia involuntaria (y generalmente no deseada) que existe entre dos estructuras conductoras que están separadas por un aislante.

A veces, esta capacitancia no deseada es realmente beneficiosa, y en tales casos no usamos el término "parásita" para describirla. Tomemos, por ejemplo, un par de planos de alimentación y tierra; esta simple estructura ayuda a proporcionar un gran reservorio de carga para soportar componentes de alta velocidad con un alto conteo de E/S debido a su capacitancia inherente. Otro ejemplo sería en una guía de onda coplanar, donde básicamente se aprovecha la capacitancia parásita para establecer la impedancia del interconector a un valor requerido.

En un PCB, la capacitancia parásita puede aparecer esencialmente en cualquier lugar. Echa un vistazo al diseño a continuación; he señalado algunas áreas donde la capacitancia parásita es prominente. Esto solo muestra la capacitancia generada en la capa superior, pero podría haber capacitancia en cualquier capa.

Tal como sugiere la definición anterior, la capacitancia parásita surge entre cualquier par de conductores separados por un dieléctrico, y podemos identificar rápidamente múltiples áreas donde aparece la capacitancia parásita en el ejemplo anterior. Siempre que tengas capacitancia parásita en un diseño de PCB, puede surgir de dos maneras:

• Como capacitancia propia, que aparece como una capacitancia alta no deseada entre un conductor y un conductor diferente (usualmente GND).
• Como capacitancia mutua entre dos estructuras conductoras que están cada una referenciada a una 3ra estructura conductora; esto es efectivamente la forma de capacitancia que causa acoplamiento capacitivo entre dos pistas.

¿Por qué importa la alta capacitancia parásita? Importa porque, siempre que hay un potencial cambiante entre dos conductores acoplados capacitivamente, esto causa que fluya cierta corriente de desplazamiento en cada conductor. Esta es una forma de diafonía con la que los diseñadores deberían estar familiarizados. Típicamente, cuando una señal de conmutación induce su señal en una pista víctima, lo llamamos diafonía, pero el mismo mecanismo puede inducir ruido en cualquier otra estructura cuando hay cierta capacitancia parásita.

Aunque nunca se puede eliminar totalmente, hay algunos casos en los que es beneficioso intentar reducirla. Para ver algunas estrategias sobre cómo reducir la capacitancia parásita, ayuda mirar algunos ejemplos.

Ejemplo: Nodos de Alta dV/dt en un Regulador de Conmutación

La parte del ejemplo de un regulador a continuación ilustra dónde se ubicaría un nodo con fuerte dV/dt, así como por qué este diseño tendrá mayor acoplamiento hacia su bucle de retroalimentación en lugar de a cualquier parte cercana del sistema. En un regulador conmutado, el nodo dV/dt aparece en la salida de la etapa de conmutación, pero antes de la etapa de rectificación/filtrado. En el ejemplo a continuación, el nodo SW_OUT es nuestro nodo de alto dV/dt impulsado por una señal PWM.

Este nodo tiene cierta capacitancia parásita con la región de tierra cercana. Si hubiera algunos otros componentes o circuitos cercanos, la capacitancia parásita hacia estos circuitos causaría que el ruido de conmutación apareciera en esos circuitos. La tierra cercana es de alguna ayuda, pero lo que realmente previene el acoplamiento de ruido es el capacitor conectado desde SW_OUT de vuelta al chip del regulador. Este gran capacitor proporciona un camino de baja impedancia para el ruido de conmutación de alto dV/dt de vuelta al lado alto de la etapa de conmutación, lo que efectivamente desacopla la salida de la etapa de conmutación de GND.

La otra estrategia que ayuda a reducir la capacitancia parásita entre SW_OUT y una traza o circuito cercano es aprovechar el plano de GND en la siguiente capa. Acercar el plano de GND al nodo de alto dV/dt reducirá la capacitancia mutua al crear un acoplamiento más fuerte del campo eléctrico a GND en comparación con el acoplamiento a algún otro nodo en el diseño de PCB. En otras palabras, preferirías un dieléctrico más delgado entre L1 y L2 en esta placa.

Ejemplo: Capacitancia Mutua Entre Dos Trazas

El acoplamiento capacitivo es uno de los dos tipos de acoplamiento (siendo el otro el inductivo) entre trazas, por el cual una señal en una traza puede crear ruido en otra traza. A frecuencias progresivamente más altas, esto está dominado por la capacitancia mutua. En un diseño de PCB, asumiendo que has trazado sobre una región de GND como es la mejor práctica, esencialmente tienes dos opciones para reducir este tipo de capacitancia parásita:

• Acerque el plano de tierra a las pistas mientras hace las pistas más estrechas (objetivo de impedancia fija)
• Aumente el espacio entre las pistas

Prácticamente todas las recomendaciones que encontrará sobre la reducción del diafonía recomendarán la opción #2, pero la opción #1 es igualmente efectiva. Esto se debe a que acerca la carga/corriente de imagen en el plano GND más cerca de la pista. Lo que no debe hacer es intentar algo como una pista de guardia cortocircuitada ya que esto creará una capacitancia parásita no deseada a GND, y puede aumentar la diafonía en ciertas configuraciones.

Resumen

Para la forma auto-capacitiva de la capacitancia parásita, necesitará separar los conductores o hacer los conductores más pequeños. Para la forma mutuamente-capacitiva de la capacitancia parásita, necesita reducir el acoplamiento aumentando las auto capacitancias bien por encima de la capacitancia mutua. En el ejemplo anterior, vimos que simplemente acercando el plano de tierra a nuestras pistas mutuamente-capacitivas reduce en gran medida su capacitancia mutua sin hacer ningún otro cambio en los conductores en el diseño del PCB.

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