Superposición de planos en diseños de señal mixta de PCB

Los planos de potencia, o al menos los polígonos utilizados para la potencia, son indispensables en los PCB modernos y es improbable que los sistemas digitales, tal y como los conocemos, existieran sin la posibilidad de dividir las redes de alimentación en diferentes regiones.

Con placas digitales que se ejecutan nominalmente en CC (posiblemente con algo de ruido superpuesto de un regulador de conmutación), dividir un plano de potencia o usar múltiples planos de potencia es una necesidad para enrutar grandes corrientes a niveles estándar de centro/lógico hacia componentes digitales. Pero ¿qué pasa con las redes de alimentación analógicas y la energía que proporcionan? ¿Cómo las podemos incluir en una disposición de PCB de señal mixta?

Una vez que se empiezan a mezclar secciones analógicas y digitales en las capas de alimentación con múltiples redes, puede ser difícil implementar una fuente de energía limpia en un diseño si no se cuida la disposición. A altas frecuencias, esto puede generar un problema de EMI notable hasta las frecuencias de RF cuando los diferentes tipos de regiones de plano se superponen. En este caso, tenemos que pensar en cómo intercalar las regiones de alimentación y tierra en una placa con un alto número de capas o separar las diferentes regiones de alimentación en placas con bajo número de capas.

El problema del plano de señal mixta

Uno de los grandes debates que surgen una y otra vez en el diseño de PCB de señal mixta, el diseño de planos y el de apilamiento es cómo organizar las conexiones a tierra y las redes eléctricas, e incluso lo que específicamente se considera como conexión a tierra. Supongamos, por ejemplo, que decides tener un plano de tierra solo analógico y un plano de tierra solo digital (aunque más vale que sepas que no deberías hacerlo); si estas secciones de plano están físicamente desconectadas, ¿cuál de ellas se define como 0 V? ¿Solo comparten el mismo potencial si están conectadas con topes? Esto no es una pregunta trivial.

La misma pregunta se aplica a un par de planos de alimentación, o más bien a cualquier par de conductores separados por un aislante con una diferencia potencial entre ellos distinta de cero. Si esto te recuerda a un condensador, ¡estás en lo cierto! Cada vez que tengas dos planos o polígonos separados entre sí por la dieléctrica aislante, habrás creado un condensador. Esto significa que los planos de alimentación se cargarán y descargarán cuando se desarrolle un potencial a través de ellos, incluidos dos planos de alimentación, dos planos de tierra o un par de planos de alimentación/tierra.

Fíjate en la disposición de los polígonos que se muestran a continuación. Los polígonos de color lila proporcionan alimentación VDD a dos CI, que nominalmente es una tensión continua. Las capas adyacentes son tierra. La región azul claro es otra red CC con un voltaje diferente suministrado por un regulador distinto. La pregunta es: ¿qué sucedería si los apiláramos en una PCB multicapa?

La disposición anterior muestra dos redes de CC, una situación que abordaré con más detalle más adelante, pero ¿qué pasaría si la región azul claro fuera una red de alimentación analógica? En diseños de PCB de señal mixta, tenemos que hacernos la siguiente pregunta: ¿cómo debemos organizar los planos superpuestos para no acoplar el ruido entre las diferentes regiones de la placa? Recuerda que uno de los principales retos en el diseño de PCB de señal mixta es evitar las interferencias no deseadas entre las señales analógicas y digitales, ya que estas degradan principalmente las señales analógicas. En este caso, la capacitancia entre dos capas planas es problemática, y se vuelve más problemática en altas frecuencias.

La sección siguiente te ayudará a entender mejor los efectos de la superposición de planos en diferentes potenciales, especialmente en las PCB de señal mixta.

Superposición de potencia CC y analógica

Cuando se superponen polígonos o planos digitales y analógicos, la capacitancia entre las dos regiones de alimentación se cargará y descargará constantemente como corriente de desplazamiento debido a la oscilación en el plano analógico. Esto se muestra conceptualmente a continuación:

A altas frecuencias y alta potencia, como cuando se envía energía a una señal de RF a través de un bus de alimentación analógico, este acoplamiento entre planos puede crear emisiones de RF debido a la corriente de desplazamiento oscilante a cada lado de las regiones del plano. Esto puede ser problemático en productos de alta frecuencia de GHz, ya que pueden provocar resonancias estructurales en el interior de la placa. Esto da como resultado fuertes emisiones en el borde de la placa si no se han tomado ciertas medidas de supresión, como el uso de costuras de vía o polígonos más complejos como las estructuras de bandas electromagnéticas que se usarían para el aislamiento de la antena.

Usar un plano de tierra único y sin división

Cuando digo «sin división», me refiero a un plano de tierra que no tiene secciones físicamente desconectadas. Es aconsejable colocar los circuitos analógicos y los circuitos digitales en zonas diferentes por encima de la tierra uniforme con la idea de aprovechar las rutas de retorno de alta frecuencia/alta velocidad a fin de crear cierto aislamiento. Además, esto ayuda a eliminar la necesidad de enrutar pistas analógicas/digitales hacia delante y hacia atrás en toda la placa, con lo que se reduce el número de oportunidades de diafonía. He analizado esto en detalle en una publicación reciente del blog que describe por qué es preferible usar simplemente un plano de tierra uniforme.

¿Qué pasaría si se usan dos planos de CC con diferentes potenciales?

Cuando tengas dos planos de potencia con diferentes voltajes de CC, inicialmente se cargarán hasta sus respectivos voltajes de CC y no habrá ninguna corriente de desplazamiento en todos los planos en este estado estable. Sin embargo, los planos de CC no están realmente a el potencial de CC. Ten en cuenta que, debido al ruido causado por los reguladores de conmutación o al ruido transitorio causado por el colapso de tierra/carril, el potencial de cada plano solo puede ser de CC nominal y estar acompañado por un ruido de conmutación superpuesto en cada plano. El ruido atípico que puede acoplarse entre dos planos de CC es:

1. El ruido de conmutación de los reguladores, que puede abarcar muchos armónicos y alcanzar altos niveles de MHz.
2. Ruido de otras fuentes, como el ruido en modo común o cualquier interferencia electromagnética emitida por elementos radiantes externos.

Resumen

Si se agrupan todas las conexiones a tierra en un único plano de referencia como tierra única del sistema, entonces cualquier tierra que utilices tendrá (o debería tener) la misma definición de potencial de 0 V en el sistema. Esto significa que la distinción entre tierra analógica y digital no tiene sentido y que solo tenemos que preocuparnos por la potencia analógica y digital.

Determinar la mejor disposición de potencia y plano de tierra puede ser un desafío en cualquier PCB, incluso en un diseño de PCB de señal mixta. Utiliza las herramientas CAD en Altium Designer® para definir las regiones de potencia/tierra y crear el diseño físico. Para evaluar la integridad de la señal y el EMI en el diseño de la PCB, los usuarios de Altium Designer pueden utilizar la extensión EDB Exporter para importar su diseño a las calculadoras de campo de Ansys y realizar una serie de potentes simulaciones de integridad de la señal. Cuando hayas terminado el diseño y desees enviar los archivos al fabricante, la plataforma Altium 365™ te facilitará la colaboración y el uso compartido de los proyectos.

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