Técnicas de conexión a tierra para PCB con orificios de montaje chapados

Siempre que coloques una placa en una carcasa, tendrás que fijarla a ella de alguna manera. Para proporcionar un soporte seguro sin dañar la superficie de la PCB con los tornillos, es habitual colocar orificios pasantes chapados en las esquinas. Estos orificios de montaje de PCB generalmente tienen la almohadilla expuesta debajo de la máscara de soldadura para que, si fuera necesario, pueda volver a conectarse eléctricamente el punto de montaje a una de tus redes. Una cuestión que suele surgir en este caso es la de la conexión a tierra y los orificios de montaje de la PCB. ¿Debe conectarse a tierra la carcasa en el diseño y, en caso afirmativo, cómo debe hacerse? ¿Deberían estar siempre conectados al chasis, solo a una toma de tierra interna o a algún otro lugar?

Esta es una muy buena pregunta, y la respuesta suele formularse en términos de "siempre/nunca". Hay quien dirá que siempre conecta a tierra los orificios de montaje a la carcasa, mientras que otro opinará que no debe hacerse nunca, ya que arruinaría el diseño. Al igual que la mayoría de las reglas de diseño que se plantean de ese modo, la respuesta real es más complicada e implica muchos de los aspectos del diseño de PCB, que pueden abarcar desde la potencia de entrada hasta la estructura del sistema de conexión a tierra. Si entiendes cómo se definen la alimentación y la tierra en la entrada de tu PCB, será más fácil diseñar una estrategia de montaje que tenga en cuenta la tierra de forma adecuada.

Cómo diseñar orificios de montaje de PCB

Como su nombre indica, los orificios de montaje de PCB se utilizan para fijar la placa a una carcasa. En lo referente a los orificios de montaje de PCB, hay algunos puntos en los que todo el mundo está de acuerdo:

• Por lo general, los orificios de montaje deben estar chapados, ya que esto permite el uso de tornillos metálicos.
• Debido a que las piezas flotantes de metal pueden ser fuentes de EMI, los orificios de montaje deben conectarse a alguna red de tierra (tierra [PE], tierra de señal [SGND], una carcasa con conexión a tierra, etc.).
• Los orificios de montaje deben tener el tamaño adecuado para alojar los tornillos de tamaño estándar más habituales.
• Los orificios de montaje pueden no estar chapados, aunque esto solo es deseable si se utilizan tornillos o separadores de plástico en el diseño.

Ya he hablado sobre este tema más detalladamente en un artículo anterior sobre orificios de fabricación, fundamentalmente porque algunos de los recursos más conocidos no distinguen entre orificios de montaje y orificios de fabricación. Para los diseñadores, esta es una distinción importante, ya que es casi seguro que los orificios de montaje pasen a formar parte del sistema de conexión a tierra de la placa, y hay que tener en cuenta exactamente cómo afectará esto a la EMI y a la seguridad del diseño.

Conectar los orificios de montaje chapados a la carcasa es una práctica recomendada, y la tierra del chasis podría conectarse a una toma de tierra si se dispone de dicha conexión. Sin embargo, este no siempre será el caso, tal como ocurre (por ejemplo) en un sistema alimentado por baterías con elementos metálicos en la carcasa. Dependiendo de cómo estén conectados los orificios de montaje de la PCB, la carcasa y la tierra, el dispositivo podría sufrir algún tipo de EMI o provocar una descarga eléctrica al usuario. Esta última situación es algo que puede ocurrir en un ordenador cuando el chasis de la fuente de alimentación no está bien conectado a tierra (cuando está enchufado) o al terminal de alimentación negativo (cuando no lo está). Si las técnicas de conexión a tierra de las PCB se implementan correctamente, lo que incluye una conexión a tierra adecuada, es posible eliminar cualquier conexión a tierra flotante, que es uno de los usos principales de los orificios de montaje de PCB conectados a tierra en una carcasa metálica.

Técnicas de conexión a tierra y orificios de montaje de PCB

La imagen anterior no debe entenderse como una generalización para todos los casos; en ocasiones, puede que no necesites que el orificio de montaje esté conectado a tierra con la placa de PCB, sino con la carcasa. En otros casos, no tendrás elección: deberás conectar a tierra el orificio de montaje mediante una conexión interna porque no habrá otro sitio en el que hacerlo. La técnica de conexión a tierra de la PCB que apliques a un agujero de montaje debe tener en cuenta la corriente que debas manejar, la frecuencia de esa corriente y los problemas de seguridad como la ESD. Por desgracia, no existe un enfoque único que aborde todas las situaciones posibles, pero esperamos que los puntos siguientes ilustren sobre cómo plantearte los diferentes tipos de conexiones a tierra que se presentan al montar una PCB.

Caso 1: CC de baja corriente sin aislamiento galvánico

Las tablas siguientes muestran algunas situaciones que ejemplifican cómo lidiar con un orificio de montaje de PCB chapado como parte de las técnicas estándar de conexión a tierra en una PCB. Estamos considerando casos de CC de tres hilos (positivo, negativo y una conexión a tierra GND), CC de dos hilos (positivo y negativo solamente) y CA de tres hilos rectificada a CC.

Obviamente, estas no son las únicas situaciones posibles en las que tendrás que lidiar con la definición de una GND a baja corriente. Estas directrices están destinadas principalmente a eliminar la EMI de una carcasa metálica (o una carcasa de plástico con elementos metálicos) ajustando la conexión a tierra de la carcasa y de la PCB al mismo potencial.

En el sistema de tres hilos y en el sistema de CA de tres hilos/CC de dos hilos, si debes conectar la PE y la GND de alimentación negativa dentro del sistema, hazlo en el punto de entrada. De esta manera, evitarás los bucles de GND y te asegurarás de que los elementos metálicos de la carcasa proporcionen apantallamiento y no queden flotando. Esto imita el cableado residencial: la conexión entre la tierra del circuito y la tierra del sistema solo se suministra en la entrada del sistema (p. ej., en el disyuntor), pero NO en el punto en el que la alimentación se devuelve a GND. Sin embargo, esa conexión se crea normalmente en el enchufe de la toma de pared / disyuntor, así que hacer una conexión adicional desde la placa a la carcasa puede crear un pequeño bucle de tierra en el hilo de entrada.

Problemas con el caso 1 en una carcasa metálica

CC de tres hilos con tierra/chasis conectado: Si los orificios de montaje de la PCB puentean la GND de la PCB con la carcasa en un punto, podrías tener un bucle de GND en el cable cuando la parte ascendente del cable esté conectada a tierra. Si está conectado en varios puntos, obtendrás más conexiones de seguridad a GND y una buena ruta hacia la tierra para corrientes parásitas, ESD, etc., pero corres el riesgo de crear bucles de tierra de CC alrededor de la placa causados por la carcasa (evítalos con conexiones estables de baja impedancia). Incluso si hay un único punto de orificio de montaje chapado de PCB, aún podrías tener corrientes acopladas capacitivamente para el ruido de alta frecuencia, lo que provocaría ruido de modo común de retorno a la entrada. El mejor equilibrio entre seguridad, supresión de la EMI y ruido es chapar los orificios de montaje y conectarlos a la carcasa metálica, pero dejarlos desconectados de la señal de tierra de la PCB; si fuera necesario, siempre puedes crear vías para las ESD con circuitos de supresión.

Esto puede plantear algunos problemas. Debes garantizar una conexión de baja impedancia a tierra si quieres obtener algún efecto de seguridad.

Alimentación de tres hilos rectificada a dos hilos: Si la carcasa está metalizada, solo debes puentear la GND de la PCB con la carcasa a través de los orificios de montaje chapados. Esto se aplica cuando el cable no está apantallado y solo se alimenta a través de dos hilos. Sin embargo, cuando todo (rectificador + salida de CC) se encuentra en una única placa, debes seguir las directrices anteriores para un sistema general de tres hilos. En este caso, ten cuidado con los posibles bucles de GND; la CC puede tener problemas de bucles a través del plano de carcasa/GND si hay varias conexiones de orificios de montaje a GND, pero, en general, son preferibles las conexiones múltiples si el problema es el ruido de alta frecuencia o la posibilidad de varias fuentes de ESD en distintos puntos de la placa. Piensa en el problema concreto que estés tratando de resolver. 

CC de dos hilos: Este caso se produce cuando tienes una batería o una fuente de alimentación de sobremesa y puede considerarse equivalente al caso anterior. Piensa en el problema concreto que quieras solucionar antes de seguir por este camino. Querrás asegurarte de que tu estrategia de conexión a tierra tiene en cuenta los problemas que necesitas resolver, ya que no existe un único método de conexión a tierra que resuelva todos los problemas. Menciono esto aquí porque, en la electrónica actual, muchos dispositivos utilizan exactamente esta configuración de dos hilos y tratan de equilibrar la seguridad con el ruido de RF y, al mismo tiempo, de suprimir el ruido de modo común.

Si se trata de una batería, las corrientes suelen ser lo suficientemente bajas de manera que (siempre y cuando tengas conexiones de impedancia muy baja en la entrada de la fuente de alimentación) puedas puentear la carcasa con la GND de la PCB a través de orificios de montaje chapados de esta. Lo ideal es que esto ocurra en un punto (la entrada de la fuente de alimentación) si solo quieres unir las tierras y asegurarte de que nada queda flotando. Hacer esto en múltiples puntos ofrece una mayor seguridad contra la ESD/corrientes parásitas en diferentes ubicaciones, especialmente cerca de los conectores (ver Ethernet industrial como ejemplo). Esto es básicamente lo que hace cualquier ordenador portátil con su carcasa de metal cuando está desenchufado. Sin embargo, ahora tienes tanto corrientes que se mueven a través de la carcasa (y posiblemente a través del usuario) como la posibilidad de bucles de tierra, siendo ambas cosas malas para la seguridad del usuario y para las aplicaciones de mediciones de precisión.

La situación ideal que describo para el sistema de alimentación de CC de tres hilos y el sistema de alimentación de CC rectificada de tres hilos/dos hilos es conectar la tierra y la carcasa a través de un único orificio de montaje en la entrada de alimentación y únicamente con el orificio de montaje conectado a la tierra de la PCB. La impedancia entre la carcasa y la toma de tierra debe ser lo más baja posible, lo que suele implicar un tornillo grande o una lengüeta de toma de tierra.

Desgraciadamente, no siempre es práctico conectar todo a tierra con un orificio de montaje de PCB chapado en la entrada. Las PCB con un solo orificio de montaje pueden tener ese orificio situado en el centro de la placa, que no siempre es la entrada de alimentación. Por lo general, hay varios orificios de montaje. Suelen estar en las esquinas de la placa, pero una placa grande podría tenerlos distribuidos por toda la PCB para proporcionar soporte estructural y evitar vibraciones. Si todos los orificios de montaje están chapados y hacen la misma conexión placa-carcasa, existe la posibilidad de que se produzcan bucles de tierra. Por tanto, siempre habrá algún tipo de acoplamiento capacitivo para el ruido de alta frecuencia, creando ruido de modo común que circula de vuelta al lado de E/S de la placa, es decir, un bucle de tierra acoplado capacitivamente para el ruido de alta frecuencia.

Evidentemente, es necesario equilibrar los conceptos de "utilizar múltiples orificios de montaje chapados para proporcionar la máxima seguridad contra ESD", "utilizar un orificio de montaje chapado y dejar todos los demás sin chapar para evitar bucles de tierra y ruido" y "asegurarse de que la carcasa está conectada a tierra para lograr una EMI baja y un alto apantallamiento". Considera cuidadosamente los requisitos de tu diseño antes de puentear la GND de la PCB con la carcasa y la toma de tierra mediante los orificios de montaje chapados.

Caso 2: Alta corriente con aislamiento galvánico

Esta puede ser una situación delicada, ya que el ruido no siempre es el principal problema, sino la seguridad. Este tipo de sistema es común en las fuentes de alimentación y uno de los objetivos de proporcionar aislamiento galvánico es evitar que una descarga en el lado principal llegue a la salida. Además, no queremos destruir el aislamiento conectando los lados de entrada y salida del sistema a la carcasa. Por tanto, utiliza una conexión a tierra en la carcasa y conecta la PCB mediante los orificios de montaje chapados únicamente al chasis.

En este caso, es recomendable conectar el chasis a tierra, hacer la conexión GND-tierra de la PCB solo en la entrada de alimentación y luego utilizar los orificios de montaje chapados para conectarla únicamente al chasis. Puedes verlo en la imagen de arriba. Haz lo mismo en el lado secundario/de salida de un sistema aislado: conecta solo orificios de montaje chapados al chasis, pero no a la GND de la PCB en el lado secundario. Para evitar emisiones radiadas ruidosas provenientes de la región de la GND secundaria, conecta las regiones de GND primaria y secundaria con un condensador de clase Y. Esto garantizará el aislamiento galvánico para las corrientes continuas y hará que todas las regiones de GND estén al mismo potencial para las corrientes de CA.

Consejos básicos para diseñar los orificios de montaje de una PCB

Los orificios de montaje de una PCB son en realidad una característica eléctrica que puedes dar por sentada en tu diseño. Desde el punto de vista mecánico, debes asegurarte de que los orificios de montaje y las almohadillas sean lo suficientemente grandes como para albergar un tornillo al tiempo que permiten una conexión eléctrica de baja impedancia al chasis, si fuera necesario. Al margen de todo esto, es importante recordar que la simple conexión a tierra de todos los orificios de montaje a una carcasa metálica no resolverá todos los problemas. Las técnicas de conexión a tierra de PCB que implementes con los orificios de montaje no resuelven todos los problemas de EMI o de seguridad, así que procura idear una estrategia de conexión a tierra que aborde los problemas específicos de tu sistema.

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