Dominando el control de EMI en el diseño de PCB: Cómo elegir el apilado para el diseño EMC

Uno de los conceptos más importantes para dominar al diseñar PCBs que sobresalen en términos de Compatibilidad Electromagnética (EMC) es la elección del apilado de capas del PCB.

Figura 1 - Herramienta de Gestión de Apilado de Capas en Altium Designer

Esto se convierte en uno de los aspectos más significativos ya que se relaciona estrechamente con la contención de los campos electromagnéticos en nuestro diseño de PCB.

En este tercer artículo de la serie Dominando el Control de EMI en el Diseño de PCB, vamos a explorar estos conceptos más a fondo, y también vamos a echar un vistazo a otros conceptos importantes de EMC.

Para que una señal se propague en un circuito, requiere de dos conductores para formar un bucle de corriente completo. Un conductor lleva la señal, y el otro proporciona el camino de retorno, asegurando que la corriente pueda fluir y la señal pueda transmitirse efectivamente. A uno de los conductores lo llamamos conductor de señal, y al otro lo llamamos retorno de señal y conductor de referencia. El conductor de retorno de referencia se denomina así porque su trabajo es proporcionar no solo la referencia (o cero voltios) para la señal, sino también porque tiene que proporcionar el camino de menor impedancia para que la corriente de la señal regrese a la fuente que la originó. Para lograr el camino de menor impedancia, la mejor configuración sería elegir un plano, en lugar de un trazo, y este plano no debería tener divisiones, cortes u otras segmentaciones que puedan crear discontinuidades de impedancia para las señales.

A partir de este concepto básico, podemos ver que para cada capa donde tenemos una señal, necesitamos tener el segundo conductor, el plano de referencia de retorno, que proporciona el camino de retorno y referencia. Siguiendo esta simple regla, podemos entonces decidir cómo diseñar nuestros apilamientos, simplemente haciendo coincidir cada capa de señal con el Plano de Referencia de Retorno (RRP) adyacente.

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A continuación, se presentan algunos ejemplos de configuraciones de apilamiento que minimizarán la interferencia electromagnética.

Ejemplo de configuración de 2 capas

Para una configuración de 2 capas, podemos tener una configuración donde una capa está dedicada a las señales y pistas de alimentación, mientras que la segunda capa es un plano de retorno sólido de referencia.

Figura 2 - Ejemplo de una configuración de 2 capas con la herramienta Layer Stack Visualizer en Altium Designer

El plano no debe tener divisiones u otros grandes huecos. Esto también es importante para evitar el enrutamiento de señales sobre huecos, lo que puede crear discontinuidades de impedancia y agrandar los caminos de bucle de corriente, aumentando finalmente las emisiones radiadas. Si tenemos pistas que necesitan cruzar de una capa a otra, queremos asegurarnos de que el cruce sea lo más corto posible y que no se haga bajo otras pistas de señal.

Ejemplo para una configuración de 4 capas

El mismo enfoque se puede utilizar para una configuración de 4 capas. Esta configuración es adecuada cuando la densidad de componentes y pistas aumenta y se necesita una segunda capa para el enrutamiento de pistas de señal. Aunque una configuración de 3 capas podría lograr una configuración similar, típicamente no es la mejor opción para fines de fabricación, ya que los fabricantes usualmente ofrecen configuraciones de capas en pares.

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Para un apilado de 4 capas, hay dos configuraciones eficientes:

1. La primera configuración tiene los planos de retorno de referencia como planos incrustados en el apilado. Esto significa que la capa 1 y la capa 4 serán los planos de señal, mientras que las capas 2 y 3 proporcionarán el retorno y la referencia para las señales en las capas 1 y 4, respectivamente.

2. La segunda configuración tiene los planos de retorno de referencia en las capas 1 y 4, que actúan como una especie de escudo para el circuito, mientras que las capas de señal están en las capas 2 y 3, incrustadas en el apilado. En esta configuración, queremos aumentar el espacio entre las capas 2 y 3 para que los campos de ambas señales no interfieran entre sí. En cambio, cada capa de señal se acopla con los planos de retorno de referencia.

En ambas configuraciones, también se deben implementar vías de conexión entre los planos de retorno de referencia. Los principales propósitos de esto son:

• Crear una especie de escudo de Faraday para reducir emisiones e interferencias externas;

• Mantener los planos lo más equipotenciales posible y reducir los voltajes de modo común;

• Proporcionar el retorno y la referencia para señales que transitan verticalmente de una capa a otra.

En este caso, la alimentación también se enrutará en las capas de señal.

Figura 3 - Ejemplo de un apilado de 4 capas con la herramienta Layer Stack Visualizer en Altium Designer

El caso de tener una capa completamente dedicada a la alimentación en un apilado de 4 capas se omite intencionalmente, ya que esto no se recomienda para propósitos de diseño EMC debido al ruido de voltaje de modo común que puede crear si no se ejecuta correctamente. Este tema requiere más tecnicismos, los cuales dejaremos para otra ocasión.

Ejemplo para un apilado de 6 capas

El apilado de 6 capas proporciona un mayor grado de libertad en cómo asignamos las capas de señal y alimentación.

Figura 4 - Ejemplo de un apilado de 6 capas con la herramienta Layer Stack Visualizer en Altium Designer

Dos apilados muy efectivos pueden proporcionar un excelente rendimiento en términos de EMC:

1. Configuración 1: Las señales se enrutan en las capas 1 y 6, con planos de referencia de retorno en las capas 2 y 5, y capas de señal adicionales en las capas 3 y 4. Esta configuración permite que las capas 2 y 5 sirvan como planos de retorno y referencia para las cuatro capas de señal, en lugar de solo dos. Esto es posible gracias al efecto piel, que permite corrientes diferentes en cada lado de los planos sin mezclarse. El efecto piel es esencialmente la tendencia de una corriente alterna (AC) a distribuirse dentro de un conductor de tal manera que la densidad de corriente es mayor cerca de la superficie del conductor, disminuyendo hacia el centro. Este fenómeno ocurre porque el campo magnético cambiante generado por la AC induce corrientes parásitas que se oponen al flujo de corriente en el centro del conductor, forzando a la corriente a fluir más en la periferia. En este tipo de configuración, las redes de alimentación pueden ser enrutadas junto con las capas de señal.

2. Configuración de Capas 2: Las señales se enrutan en las capas 1 y 6, con las capas 2 y 5 actuando como capas de referencia de retorno. En esta configuración, las capas 3 y 4 se utilizan como planos de alimentación. Esta configuración es muy efectiva, especialmente cuando se requiere más potencia o se necesita una red de entrega de potencia de baja impedancia. Se recomienda usar planos sólidos y homogéneos tanto para las capas de referencia de retorno como para las capas de alimentación. No es aconsejable usar diferentes polígonos en una sola capa, ya que esto puede generar ruido de modo común y resultar en emisiones radiadas cuando se conectan cables. Dedique un plano por voltaje para evitar estos problemas y mejorar la red de entrega de potencia (PDN) de la placa.

Al igual que con la configuración de 4 capas, asegúrese de que haya suficiente distancia entre las capas internas de señal y de alimentación para evitar el acoplamiento entre ellas, mientras maximiza el acoplamiento con las capas de referencia de retorno. También, se deben implementar vías de conexión entre los planos de referencia de retorno cuando sea posible.

Ejemplos de Configuraciones Multicapa Simples con Altium Designer

Afortunadamente, elegir la configuración de PCB se hace más fácil con Altium Designer^®.

Con la herramienta integrada Layer Stack Manager, puedes crear apilamientos personalizados para tus PCBs o usar apilamientos preestablecidos, facilitando mucho el trabajo del diseñador de PCBs. La herramienta Layer Stack Manager también te permite crear tipos de apilamientos más avanzados, donde también puedes calcular la impedancia característica de tus señales sin la necesidad de calculadoras de terceros.

Esta es una de las muchas características de Altium Designer^® que permite la creación de proyectos de PCB de manera fluida y precisa, haciendo que el proceso de diseño no solo sea más fácil, sino también más disfrutable.

En el próximo artículo, exploraremos cómo diseñar y optimizar PCBs para baja EMI. Asegúrate de seguir nuestras páginas y redes sociales para no perdértelo.

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