Nunca cruces una brecha en el plano de tierra en el diseño de PCB de alta velocidad

A menudo navego por foros de electrónica y PCB, y veo la misma pregunta una y otra vez: ¿Por qué no debería trazar una pista sobre una separación en mi plano de tierra? Esta pregunta la hacen desde aficionados hasta diseñadores profesionales que están empezando a adentrarse en el diseño de PCB de alta velocidad. Para el ingeniero de integridad de señal profesional, la respuesta debería ser obvia.

Tanto si eres un ingeniero de diseño de PCB con años de experiencia como si eres un diseñador ocasional, ayuda entender la respuesta a esta pregunta. La respuesta siempre se enmarca como una afirmación de siempre/nunca. No me gusta dar respuestas en términos absolutos a preguntas sobre diseño de PCB, pero en este caso la respuesta es clara: Nunca traces una señal sobre un hueco en un plano de tierra. Profundicemos en esto y entendamos por qué no deberías trazar una pista sobre un hueco en un plano de tierra.

Brecha en el Plano de Tierra: Diseño de Baja y Alta Velocidad

Responder a esta pregunta requiere considerar cómo se comportan las señales en DC, a bajas velocidades y a altas velocidades. Esto se debe a que cada tipo de señal inducirá un camino de retorno diferente en este plano de referencia. El camino de retorno que sigan tus señales tendrá algunos efectos importantes en la EMI que se genera dentro de la placa, así como la susceptibilidad de un circuito particular a la EMI. Para obtener una mejor idea de cómo se forma el camino de retorno en tu PCB, echa un vistazo a este artículo, así como a esta guía útil de Francesco Poderico.

Si entiendes cómo se forma la corriente de retorno en tu PCB, entonces se hace fácil ver cómo afecta a la EMI y la integridad de la señal. Aquí está el porqué es importante, y se relaciona con el enrutamiento sobre una brecha en el plano de tierra. El bucle formado por la corriente de retorno en tu placa determina dos comportamientos importantes:

• Susceptibilidad a la EMI. El bucle creado por la corriente de suministro y de retorno en un circuito determina la susceptibilidad de la placa a la EMI. Un circuito con un bucle de corriente grande tendrá una inductancia parásita mayor, haciéndolo más susceptible a la EMI radiada.

• Resonancia en señales de conmutación. La inductancia parásita en un circuito determina el nivel de amortiguación experimentado por la respuesta transitoria en un circuito cuando una señal cambia entre niveles. Cuando se considera junto con la capacitancia parásita en su circuito, estas dos cantidades determinan la frecuencia natural de la respuesta transitoria y la frecuencia de oscilación amortiguada.

Veamos en detalle las señales de CC, de baja velocidad y de alta velocidad:

Voltaje/Corriente de CC

Cuando una placa funciona con energía de CC, la corriente de retorno no se producirá directamente debajo de la traza de señal; seguirá una línea recta de regreso al punto de retorno de suministro. Esto significa que esencialmente no tienes control sobre la trayectoria de retorno, y la placa puede ser susceptible a la EMI debido a la gran inductancia parásita. Uno podría pensar que, dado que la fuente de alimentación no está conmutando, no habría oscilación transitoria, por lo tanto, no importaría si una traza de microstrip se enruta sobre una brecha en el plano de tierra. Aunque no hay oscilación, todavía existe el problema de la susceptibilidad a la EMI. Deberías intentar mantener la inductancia del bucle de CC tan baja como sea posible, y evitar el enrutamiento sobre una brecha en el plano de tierra es la mejor idea para reducir la inductancia del bucle.

Señales de Baja Velocidad

Al igual que las señales de CC, la trayectoria de retorno determina la inductancia de bucle del circuito, lo que determina la susceptibilidad a la EMI y el amortiguamiento en la respuesta transitoria. Si la inductancia de bucle es grande, la tasa de amortiguamiento será menor y, al igual que en el caso de las señales de CC, el trazado sobre una brecha en el plano de tierra aumenta la inductancia de bucle, lo que afecta la integridad de la señal, la integridad de la potencia y la EMI.

Lamentablemente, las señales de baja velocidad son algo así como un relicto, y cada placa que utiliza lógica TTL y más rápida se comportará como un circuito de alta velocidad. Con señales de baja velocidad (generalmente tiempos de subida de decenas de ns y más lentos), la amplitud del anillo en un circuito particular era típicamente lo suficientemente baja como para pasar desapercibida. Por lo tanto, siempre que las señales no se trazaran sobre una brecha en el plano de tierra, la inductancia de bucle era típicamente lo suficientemente baja para prevenir un anillo intenso, susceptibilidad a la EMI y problemas asociados de integridad de potencia (ver abajo).

Señales de Alta Velocidad

Si tomo una placa diseñada para funcionar a baja velocidad y la hago funcionar con señales de alta velocidad, la amplitud del sonido será mayor para una determinada inductancia de bucle de circuito. Esto ilustra nuevamente la necesidad de mantener la inductancia de bucle en la placa lo más pequeña posible. El objetivo es proporcionar tanto amortiguamiento como sea posible para reducir la amplitud del sonido en una interconexión dada. Nuevamente, el enrutamiento sobre una brecha en el plano de tierra evitará aumentar la inductancia de bucle. Además, se debe colocar un plano de tierra debajo de la capa de señal que lleva circuitos de alta velocidad para asegurar que la inductancia de bucle sea lo más baja posible en toda una interconexión.

Ejemplo de camino de retorno para una señal enrutada sobre una brecha en el plano de tierra.

Otra forma de ver una brecha en el plano de tierra es como una discontinuidad de impedancia. Si una señal se enruta sobre una brecha en el plano de tierra, la impedancia de la región sobre la brecha será mayor que la impedancia del resto de la interconexión. Esto lleva a la reflexión de la señal además de los problemas de sonido exacerbados mencionados anteriormente. Echa un vistazo a este artículo del Signal Integrity Journal para aprender más sobre este aspecto de la señalización de alta velocidad sobre una brecha en el plano de tierra.

Todo lo mencionado anteriormente respecto a las señales digitales se aplica igualmente a las señales analógicas. Los problemas de señales transitorias mencionados anteriormente están relacionados con problemas de integridad de potencia, especialmente en placas que utilizan componentes de alto conteo de puertas/pines. La pila de capas debe ser diseñada específicamente para soportar componentes más rápidos que TTL (ver abajo).

Rieles de Potencia y Brechas en el Plano de Tierra

Nota que hemos mirado esto en términos de integridad de señal, pero las mismas ideas se aplican a la integridad de potencia. Así como no se deben trazar pistas de microstrip a través de una brecha en el plano de tierra, también se debe evitar trazar rieles de potencia en la capa superficial sobre una brecha en el plano de tierra. Si estás suministrando energía de CC a un circuito integrado digital, el IC extraerá algo de corriente de la fuente de alimentación cuando cambie entre los estados de ENCENDIDO y APAGADO. Esto producirá un rizado de voltaje en el riel de potencia.

Esta respuesta transitoria particular en el voltaje de suministro se comporta como una oscilación amortiguada. Su amplitud es proporcional a la impedancia de la PDN y es inversamente proporcional al nivel de amortiguamiento en la PDN. Así como el amortiguamiento es inversamente proporcional a la inductancia de bucle en una interconexión estándar de PCB, lo mismo se aplica a la respuesta transitoria en una PDN. Esto significa que puedes amortiguar la respuesta transitoria en el riel de potencia si mantienes la inductancia de bucle pequeña. La mejor manera de hacer esto es colocar el plano de tierra en una capa directamente adyacente al plano de potencia y evitar el enrutamiento de cualquier riel de potencia sobre cualquier brecha del plano de tierra.

Si estás trabajando con una placa de dos capas y no tienes espacio para planos de tierra, deberías planificar cuidadosamente los caminos de retorno en tu placa para mantener la inductancia de bucle pequeña. Una opción es usar una disposición enrejada de regiones de tierra en las capas superior e inferior y conectarlas con vías. Sin embargo, si estás trabajando con señales de alta velocidad (TTL y más rápidas), verás grandes fluctuaciones de voltaje en los rieles de alimentación debido a capacitancia insuficiente en la PDN. Esta es la razón principal por la que los planos de alimentación y tierra se colocan en capas adyacentes en placas de alta velocidad, y el plano de tierra se coloca directamente debajo de la capa de señal/componente.

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