Cómo determinar las capas de PCB y maximizar la integridad de la señal

Zachariah Peterson
|  Creado: May 20, 2020  |  Actualizado: November 14, 2020

La colocación bien pensada de las capas de PCB anula la energía de RF y resulta en PCA que aprueban la EMC la primera vez.

ALTIUM DESIGNER

Herramienta de diseño de PCB profesional con un gestor de pilas de capas competente.

Diseño de capas de PCB

Use capas interiores con planos a tierra adyacentes para los relojes

Las mejores prácticas para determinar la acumulación de capas de PCB priorizan la integridad de la señal. La integridad de la señal ocurre cuando la generación de corriente de RF se evita mediante la organización metódica de las capas. Las corrientes de RF se generan mediante impedancias no deseadas que forman parte del material, ofreciendo una oportunidad de generar corrientes de modo común. Las corrientes de modo común son la fuente principal de energía RF. La energía de RF se mete a la red de distribución de energía o es emitida al espacio libre, que puede hacerse en forma de ruido. El ruido se presenta como reflejos, zumbidos o comunicación cruzada.

El apilamiento de la capa de PCB puede estar diseñado para incorporar características que sean útiles para conservar la integridad de la señal. Se logra el desacoplamiento capacitivo máximo en la red de distribución de energía al poner los planos de energía en una posición que sea directamente adyacente a los planos a tierra en el apilamiento de la capa (véase la figura anterior). Los planos de señal siempre deben contar con un plano a tierra adyacente en el apilamiento de capas. Se puede mejorar la cancelación de flujo y eliminar el ruido al incluir un plano a tierra al lado de cada plano de señal. La minimización del espacio entre capas conductoras aumenta la cancelación de flujo.

El enrutamiento intencional le da un seguimiento al diseño de acumulación de capas con las mejores prácticas para fines de la integridad de la señal. Los trazados de alta velocidad están mejor enrutados en forma de transmisión para que puedan aprovechar tanto la protección como la cancelación de flujo en las capas internas con planos a tierra adyacentes al máximo. Los microstrip mejor enrutados en las capas externas de la placa de circuito impreso son los trazados menos sensibles cuyo riesgo de acoplamiento a través del aire sea bajo. Las técnicas de enrutamiento adicionales incorporan una relación de aspecto para las uniones del chasis a las costuras a tierra entre cada uno. El relleno a tierra entre los trazados en las capas externas que tienen muchas costuras a tierra ofrece rutas de retorno y mitiga la creación de corrientes en bucle.

Diseño de capas de PCB para minimizar el desarrollo de energía de RF no deseado

El origen del ruido en una PCB es el desarrollo de la energía de RF a lo largo de las impedancias no deseadas. Las corrientes de RF se producen tras la formación de impedancias no deseadas dentro de la placa de circuito impreso durante el diseño. La impedancia se acumula como inductancia en los bobinados de los inductores y en las tiras de puntos discretos, tales como las resistencias. Los bucles permiten que las corrientes cambiantes creen energía de RF al aire.

Independientemente de si sus preocupaciones principales son una placa, varias placas, una PCB multicapa o un diseño en el cual los trazados, agujeros y pads involucrados, la impedancia puede ser un problema. Los IC (circuitos integrados) y las interfaces con otros materiales dan lugar a desajustes que causan impedancias no deseadas que además dan lugar a la generación de corrientes de RF. Cuando la impedancia no deseada se acumula en redes que son mayores que las del aire, la energía de RF toma el camino más fácil y emite al espacio libre.

Multicapas de PCB

Características de la señal afinada por capa durante la ruta

Incorpore capas que eviten las discontinuidades y los bucles.

Mitigue la energía de RF usando un plano que desaliente las impedancias no deseadas. Diseñe capas de manera que elimine la acumulación de impedancia y aparte la energía de RF al chasis. Enrute las señales para garantizar que la ruta de retorno esté directamente debajo del trazado de la señal. Evite hacer bucles que generen impedancia cuando una PCB contenga señales de cambio rápida. Evalúe las capas a medida que se incluyen los vías para garantizar que no hayan discontinuidades. Las discontinuidades crean ranuras en los planos de las capas y pueden forzar los caminos de retorno a los bucles que emiten ruido. Para apartar las señales de cambio a tierra, ponga los condensadores de desacoplamiento en los rieles de energía de cada componente. Ponga los condensadores de derivación en las señales de cambio en los conectores que entran y salen del diseño.

Emplee capas para el desacoplamiento capacitivo y la cancelación de flujo

Ordene las capas de energía y a tierra adyacentes mutuamente para obtener una distribución de energía limpia por todas las capas de la PCB. Cuando las capas de energía y a tierra se unen mutuamente en la pila, la distribución de energía limpia resulta del desacoplamiento capacitivo de baja impedancia. Agregar condensadores de desacoplamiento en cada uno de los componentes conectados a las capas de PCB le permite darle continuación a la integridad del diseño para la red de distribución de energía a través de las capas.

Esto entregará energía para que sea usada cuando las redes digitales grandes cambian simultáneamente. Proceda con la integridad de la distribución de energía a lo largo de todas las capas, añadiendo condensadores de desacoplamiento a los pines de señal que perciben transiciones durante el cronometraje. Gracias a los condensadores de desacoplamiento y circunvalación, se obtiene suficiente energía para suspender las señales previstas durante la operación, evitando el rebote a tierra y la inyección no intencionada de energía de RF en las capas.

Diseño de capas de PCB en Altium Designer

Ajuste las impedancias vitales para las señales de alta velocidad

Diseñe una pila para evitar las impedancias y los bucles no deseados

Los planos de señal de capa adyacentes a los planos a tierra previenen que los bucles generen energía de RF. No es posible que los bucles se desarrollen cuando los planos de retorno están ubicados directamente al lado de los planos de señal. Para prevenir que haya ranuras en la pila de capas donde es posible que las señales deban desplazarse por las ranuras, generando bucles, la ubicación de los vías es indispensable. Asimismo, las señales de alta velocidad desarrollan un flujo tanto en la red de señal como en la de retorno.

Este flujo es tanto igual como opuesto: una señal y un retorno. La cancelación máxima se produce cuando la señal y el retorno de alta velocidad se ponen de forma que estén directamente adyacentes entre ellos. Para mantener la compatibilidad electromagnética (EMC, por sus siglas en inglés), se debe lograr la cancelación del flujo que se haya formado debido a las señales de alta velocidad. Diseñar la pila de capas para asegurarse de que las capas de retorno estén adyacentes a cada una de las capas de señal resulta en la compatibilidad electromagnética (EMC). EMC muestra que la pila de capas se había diseñado para mitigar la generación de flujo adecuadamente.

Aproveche el gestor de pilas de capas de Altium para optimizar la integridad de la señal

El Gestor de pilas de capas le da una herramienta elegante para definir capas y establecer las características de las mismas. Es una herramienta organizada como una tabla con acceso directo para editar. Aquí se especifican las columnas para la definición de material de cobre, pre-impregnado y núcleo, junto con los materiales de superficie. Aquí se colocan los requisitos de diseño de alta velocidad que usan espesores diseñados junto con la definición de material dieléctrico.

Hoy en día, el material dieléctrico para la mayoría de las placas de circuitos impresos es FR4 y el Gestor de pilas de capas inserta su constante dieléctrica automáticamente en el gestor de pilas. Puede trabajar tanto en unidades imperiales o métricas. Existen configuraciones de capas predefinidas para acelerar su trabajo de diseño, o puede optar por subir una pila que haya sido configurada previamente desde otro proyecto de diseño. Los pares de perforación son accesibles mediante un botón de navegación determinado. Puede navegar al Editor de fórmulas de impedancia usando un botón de radio separado.

Gestor de capas de PCB

Controle la impedancia para señales de alta velocidad utilizando el Editor de fórmulas de impedancia

Conserve la energía adyacente a la tierra y deles referencias a las capas de señal

Calcule la impedancia de microstrip y stripline (transmisión) para señales de alta velocidad en sus capas usando las ecuaciones integradas. Puede encontrar las ecuaciones integradas en el Editor de fórmulas de impedancia dentro del Gestor de pilas de capas. Las ecuaciones integradas vienen del grosor del material y del dieléctrico de los laminados no conductores, al igual que de las características de cobre que son parte del Gestor de pilas de capas. Si su diseño precisa un análisis para microstrip integrado o stripline doble, las cajas de radio dentro del editor permiten el acceso directo a las variables de la ecuación.

Un circuito impreso es tan fuerte como su diseño, por lo tanto, debe asegurarse de que su software es capaz de entregarle una placa o placas rápida y confiablemente usando los archivos Gerber que indique el grosor, los componentes, los pads y la soldadura de forma exacta. No deje que su diseño sufra debido a las disposiciones de placas que no son precisas o que no fueron integradas correctamente entre el diseño esquemático de la placa y la disposición de la placa.

Altium Designer es una herramienta poderosa que le ofrece el Gestor de pilas de capas que puede usar para configurar capas de PCB para la anulación de la energía de RF. Use el Gestor de pilas de capas para minimizar la acumulación de impedancia extraviada mediante el Editor de fórmulas de impedancia. El Editor le permitirá diseñar señales de alta velocidad cuidadosamente para que pueda eliminar impedancias no deseadas que crean energía de RF. Las herramientas de Altium Designer forman las capas de PCB y la impedancia de la señal de una manera astuta para que su PCA apruebe la EMC la primera vez.

Sobre el autor / Sobre la autora

Sobre el autor / Sobre la autora

Zachariah Peterson cuenta con una amplia experiencia técnica en el mundo académico y la industria. Antes de trabajar en la industria de PCB, enseñó en la Universidad Estatal de Portland. Realizó su investigación en Física MS sobre sensores de gas quimisortivo y su doctorado en Física Aplicada sobre teoría y estabilidad del láser aleatorio. Su experiencia en investigación científica abarca temas en láseres de nanopartículas, dispositivos semiconductores electrónicos y optoelectrónicos, sistemas ambientales y análisis financiero. Su trabajo ha sido publicado en varias revistas revisadas por pares y actas de conferencias, y ha escrito cientos de blogs técnicos sobre diseño de PCB para varias empresas. Zachariah trabaja con otras compañías en la industria de PCB proporcionando servicios de diseño e investigación. Es miembro de IEEE Photonics Society y de la American Physical Society.

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