Planos de Potencia y Planos de Tierra: ¿Debería Usar el Plano de Potencia de su PCB como un Camino de Retorno?

Los planos de potencia (a veces llamados capa de potencia) y los planos de tierra son importantes no solo para la distribución de energía. Al definir planos de referencia, tanto con enrutamiento controlado por impedancia como en la gestión de caminos de retorno, tu apilamiento puede obligar a las corrientes de retorno a pasar a un plano de potencia de la PCB antes de acoplarse de nuevo a una capa de tierra. Aunque definas una capa de referencia GND como base para el ancho de tu traza controlada por impedancia, aún tienes que definir un camino de retorno claro a lo largo de la longitud del plano de potencia en tu diseño. Veamos algunas buenas prácticas para controlar los caminos de retorno en tu PCB con un plano de potencia como camino de retorno.

Comportamiento de la señal con un plano de potencia de la PCB como camino de retorno

Cuando decimos "camino de retorno", nos referimos al camino que naturalmente sigue la corriente de retorno en un diseño, donde la corriente puede viajar de regreso al terminal de bajo potencial en el lado de entrada del ensamblaje de la PCB. Para una señal que viaja en una línea de transmisión, el camino de retorno está determinado por la capacitancia entre la línea y su plano de referencia. Una mayor capacitancia, mayor frecuencia, o ambas, significa que la corriente de retorno puede pasar fácilmente al plano de tierra como una corriente de desplazamiento.

Esto, a su vez, significa que la distancia entre una línea de transmisión y su plano de referencia, sea cual sea el tipo de plano de referencia que sea, determina algunos comportamientos eléctricos importantes en diseños reales. Dicho comportamiento incluye:

• Susceptibilidad a la EMI de fuentes externas, que puede recibirse inductivamente a través de un gran bucle de corriente, o capacitivamente a través del campo eléctrico
• Impedancia inconsistente, que surgirá al enrutar entre regiones de planos, sobre huecos, o con anchos de traza variables a lo largo de un interconector
• Diafonía de otras trazas, que puede acoplarse inductivamente más fácilmente en una traza víctima si el diseño tiene un 
• Pérdidas durante la propagación, que ocurre debido a la concentración de líneas de campo entre la línea de transmisión y el plano de referencia cercano u otros conductores

Si puedes elegir entre usar un plano de potencia o un plano de tierra como la capa adyacente que proporciona una ruta de retorno o referencia de señal, siempre debes elegir el plano de tierra de la PCB. Hay dos razones para esto, que explicaré con más detalle a continuación.

Acoplamiento Capacitivo

Antes de discutir cómo un plano de potencia realmente funciona (o no) como algún tipo de camino de retorno, tenemos que preguntarnos: ¿cómo llegaría la corriente de una línea de transmisión al PCB del plano de potencia para empezar? La respuesta es: ¡acoplamiento capacitivo! Recuerda, como se mencionó anteriormente, el camino de retorno se induce entre una línea de transmisión y cualquier conductor cercano. Para una capa de plano cercana, esto sucede siempre que hay un cambio de potencial eléctrico entre la línea y el plano. Por lo tanto, siempre que tengamos una pista siendo enrutada al lado de un plano, y una señal digital viaja a lo largo de esa pista, ahora tenemos una corriente de desplazamiento impulsada en la capa del plano.

Si el plano cercano fuera un plano de tierra al mismo potencial que nuestro punto de bajo potencial en la entrada de energía, entonces todo estaría bien. El problema con esto es que, cuando la corriente necesita pasar de un plano de potencia a la capa de tierra cercana, la corriente necesitará atravesar otra capa dieléctrica para alcanzar un plano de tierra del PCB.

Dependiendo de cómo esté diseñado el apilado y el área de la placa donde se induce la señal, la capacitancia entre las dos capas podría formar un camino de impedancia muy alta entre el plano de potencia y el plano de tierra. Dependiendo del apilado, como el simple apilado de 4 capas mostrado a continuación, la capacitancia del plano entre la capa de potencia y la capa del plano de tierra de la PCB podría ser muy pequeña (del orden de femtofaradios por mm cuadrado), creando un camino de retorno de impedancia extremadamente alta excepto para señales digitales extremadamente rápidas o señales de RF de muy alta frecuencia. La única otra opción en este viaje entre el plano de potencia y el plano de tierra es a través del capacitor de desacoplamiento más cercano, como se muestra a continuación. En cualquiera de los casos, podrías tener un problema de EMI en algún lugar de la placa.

Para señales de extremo único de velocidad típicamente más baja (como señales de I2C o SPI limitadas por el tiempo de subida), la EMI generada por esta acoplamiento a GND podría no ser el problema más grande. Esto no sucede en absoluto con dispositivos puramente de CC o analógicos de baja frecuencia. Sin embargo, con los componentes CMOS estándar de hoy en día, incluso los buses de extremo único en componentes digitales comunes pueden tener este problema. Entonces, ¿cuál es la solución?

La respuesta se encuentra en rediseñar el apilado de la PCB. El camino más sencillo hacia adelante es agregar capas que proporcionen el retorno a tierra. Generalmente, no se necesitarán otros cambios de diseño siempre y cuando todos los planos de GND estén unidos entre sí con vías de conexión espaciadas adecuadamente. Algo que consume más tiempo desde una perspectiva de diseño, como en el apilado de 4 capas mencionado anteriormente, es colocar PWR y Señal en la misma capa, y luego añadir PWR en la misma capa como vertido.

Ejemplo de 4 Capas

En el ejemplo de la placa de 4 capas mencionado arriba, el apilado se utiliza mejor si los buses y líneas que deben proporcionar flujos de bits continuos se colocan en la capa superior directamente sobre GND. Otras señales, como señales de control que pueden ser ralentizadas con terminación RC o en serie, pueden colocarse en la capa trasera, así como otros componentes de apoyo. Sin embargo, si necesitas tener una PCB de 4 capas con buses digitales en ambas capas superficiales, entonces la mejor práctica es usar un apilado alternativo.

La configuración de capas que se muestra a continuación es, sin duda, la mejor alternativa para suprimir el ruido y proporcionar caminos de retorno claros en todas partes. Esta es la configuración SIG+PWR/GND/GND/SIG+PWR, donde las señales y la alimentación se enrutan en las capas superiores. Esto proporciona un desacoplamiento muy fuerte para los rieles de alimentación porque estarán (o deberían estar) colocados cerca del plano GND en la capa adyacente.

• Aprende más sobre esta alternativa de configuración de 4 capas

Hay una dificultad en esta placa, que puede surgir cuando hay múltiples rieles de alimentación. En el caso de que tu placa de 4 capas necesite tener señales de alta velocidad en ambas capas, así como múltiples rieles de alimentación y una fuerte integridad de potencia, la configuración estándar SIG/GND/PWR/SIG no funcionará. Aquí es donde agregar dos capas y construir una configuración de 6 capas es la mejor opción.

Ejemplo de 6 Capas

Como la mayoría de los problemas de enrutamiento y disposición, que luego generan problemas de EMI, la fuente del problema suele ser una de definición de tierra, o tener una disposición de capas incorrecta en el apilado de la PCB. Aunque puedes usar el plano de potencia como una referencia de impedancia y camino de retorno para las señales, necesitarás colocar un plano de tierra de la PCB cercano para prevenir el acoplamiento entre capas en el tipo de apilado de capas mostrado a continuación.

Un apilado que a veces se utiliza en diseños más densos es el apilado de 6 capas mostrado a continuación. Las capas de señal superior e inferior están acopladas directamente a tierra, sin embargo, todavía tenemos un plano de potencia (en azul en L3) que podría tener alta capacitancia de plano a tierra en L2, dependiendo de los grosores de las capas.

• Aprende más sobre las pautas de apilado de 6 capas

Una disposición de capas alternativa que no es ideal con enrutamiento de alta velocidad en una capa interna es tener dos capas de señal adyacentes y potencia en L2. Esto podría permitir diafonía interna y crear problemas para devolver la corriente de retorno a tierra si las señales no están segmentadas en diferentes regiones en la PCB. Una disposición mejor sería usar la placa de 6 capas mostrada arriba.

¿Qué pasa con el acoplamiento directo en las pistas? Normalmente, la capacitancia parásita entre las capas vecinas puede ser bastante pequeña debido a las pequeñas dimensiones de las pistas de señal, creando un camino de retorno de impedancia algo alta entre cualquier corriente de retorno en el plano de potencia en L3 y el plano de tierra en L5. La forma normal de proporcionar un camino de retorno de baja impedancia entre cualquier corriente de retorno en la capa de potencia y el plano de tierra es colocar un capacitor de desacoplamiento/bypass entre los planos de potencia/tierra. En el ejemplo anterior, el camino preferible de baja impedancia para cualquier corriente de retorno inducida en el plano de potencia es directamente hacia el tierra en L2, no en L5.

La conclusión: Diseña tu camino de retorno

Ya sea que permitas que las señales se acoplen de nuevo al plano de alimentación seguido de un acoplamiento capacitivo en el plano de tierra de PCB más cercano, o directamente de vuelta al plano de tierra, necesitarás ingeniar cuidadosamente tu camino de retorno para prevenir el acoplamiento no deseado entre cualquier señal de retorno. El punto importante aquí es que cualquier circuito en tu placa está completo cuando se conecta de vuelta al plano de tierra de PCB, independientemente de si este acoplamiento es directo, a través de capacitores de desacoplamiento/bypass, o gracias a la capacitancia interplano. Es por esto que, en las PCBs modernas, siempre decimos que se debe trazar adyacente a un plano de tierra: esto permite que el camino de retorno se envíe directamente al plano de tierra sin usar capacitores de bypass, vias de conexión con relleno de cobre, u otras medidas que no resuelven los problemas creados por un mal apilamiento.

Aunque técnicamente puedes aprovechar un plano de potencia como una capa de blindaje y un plano de referencia de PCB (asumiendo que la diferencia de potencial entre la pista de señal y el plano de potencia no es de 0 V), se vuelve difícil controlar la trayectoria de retorno en general. Esto es particularmente cierto con placas de alta velocidad/alta frecuencia. En diseños más avanzados que funcionan a niveles de señal bajos, podrías estar utilizando pares diferenciales, en cuyo caso la trayectoria de retorno es proporcionada por la conducción diferencial, es decir, fluye paralela a la traza de señal ALTA. Si estás interesado en aprender más sobre cómo trazar la trayectoria de retorno en tu placa, echa un vistazo a este artículo de Francesco Poderico.

Las herramientas más recientes de diseño y enrutamiento de PCB en Altium Designer^® incluyen una herramienta de trayectoria de retorno a tierra que se interfaz con el motor de DRC. Esto te permite definir límites en la desviación entre una traza y su plano de referencia de PCB más cercano como una regla de diseño. Esta regla se verifica automáticamente por las herramientas de enrutamiento interactivo a medida que creas tu placa. También tendrás un conjunto completo de herramientas para analizar la integridad de la señal y preparar los entregables para el fabricante.

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