División de Planos: Lo Bueno, Lo Malo y Lo Feo

Dividir planos o hacer cortes en los planos es otro de esos temas técnicos en los que hay mucha información contradictoria. Algunos dicen que es bueno dividir los planos de alimentación; otros dicen que puedes dividir tanto los planos de tierra como los de alimentación, algunos dicen que solo debes hacer cortes en los planos de alimentación, y otros dicen que se deben evitar los cortes en los planos por completo. Este artículo desmentirá los mitos sobre los planos divididos, proporcionará evidencia sobre cuándo son útiles y describirá cuándo no se deben hacer.

Verdades, rumores y malentendidos

Como se mencionó anteriormente, dividir planos o hacer cortes en los planos es uno de esos temas que está plagado de mucha desinformación y confusión. A continuación, se presentan algunos de los comentarios más frecuentes, que sirven para confundir el tema en su conjunto y perjudican a los desarrolladores de productos. Cabe señalar que las advertencias "anti-división" están algo aleatorizadas en términos de dónde deben colocarse, por qué deben hacerse y qué daño pueden causar. Incluyen:

• Cualquier señal que cruce en el plano de tierra dividido o en el plano de alimentación es indeseable. Cuanto más alta sea la tasa de conmutación, peores serán los efectos.

• "Cruzar un plano dividido con una traza es malo porque aumenta la inductancia y complica el camino para la corriente de retorno."

• "Divides los planos de tierra para reducir el ruido de modo común en su lado analógico."

• "Posiciona tu placa en secciones analógicas y digitales separadas."

• "Si aíslas tus secciones analógicas, necesitas planos divididos."

• "Nunca se debe cruzar un plano de potencia dividido debido al aumento del riesgo de diafonía y a no cumplir con los requisitos de EMC."

Para simplificar las cosas, podemos desmentir todo lo anterior y decir que no es cierto. Pero, quizás una de las conclusiones más importantes es que NUNCA, JAMÁS debes dividir los planos de tierra. Si lo haces, destruirás la integridad de tu PDS.

Lee Ritchey, fundador y presidente de Speeding Edge, señala: “Existen autoproclamados gurús de EMI que abogan por cortar el plano de tierra porque hay una corriente circulando en el plano de tierra que perturbará alguna señal analógica en algún lugar. La idea aquí es que conviertes un parche del plano de tierra en una pequeña isla y la conectas en un solo lugar. En casi todos los casos que he visto, alguien asume que existe algún tipo de problema mágico porque las corrientes están circulando en el plano de tierra. En realidad, cada vez que he visto a alguien cortar un plano de tierra, han creado un problema de EMI.”

Así que, una vez que hemos eliminado todos los datos incorrectos que continúan circulando sobre la división de tierra, la discusión se mueve hacia los planos de potencia, y hay razones legítimas para dividirlos. Esas razones y las formas de implementarlas se detallan a continuación.

Distribución de Dos Voltajes de Diseño de Fuente de Alimentación en la Misma Capa de PCB

Solo hay una razón para dividir un plano, y eso se hace en un plano de alimentación cuando tienes dos o más Vdds en el mismo plano. En verdad, la electrónica moderna no existiría sin esta capacidad. Primero, tienes que asegurarte de que la impedancia de los Vdds que están en lados opuestos de la división sea muy baja (miliohmios), para que la integridad de la entrega de energía sea buena para todos los voltajes. La baja impedancia de cada uno de los Vdds, entre cada Vdd y el plano de tierra, es el camino de CA a través de la brecha. También, se debe notar que esta brecha nunca necesita ser más ancha que 10 mils (0,254mm).

Para ilustrar lo anterior, la Figura 1 es un PCB de prueba con trazas en la capa de microstrip enterrado (capa 2) que cruzan el plano en la capa 3.

Figura 1. PCB de Prueba con Trazas Cruzando Divisiones de Plano

La Figura 2 es la sección transversal del plano de alimentación dividido debajo de una traza. Tanto las corrientes de salida como de retorno se muestran con flechas.

Figura 2. Vista Lateral de Trazado Cruzando un Plano Dividido en PCB con Flechas para Mostrar la Corriente

Nota: En la esquina superior izquierda de este diagrama hay una tabla que muestra la reactancia capacitiva de tres capacitores de diferentes tamaños como función de la frecuencia. Los capacitores de 1 nF y 10 nF, comúnmente utilizados para capacitores de desacoplamiento discretos, incluso uno a la vez, producen una impedancia relativamente baja. Cuando los sistemas de entrega de energía están diseñados correctamente, se utilizará una combinación de los capacitores discretos y la capacitancia de plano, lo que resulta en la impedancia en o por debajo de 10 miliohmios entre Vdd y tierra desde DC hasta un gigahercio o más. Esto efectivamente "corta" los planos de potencia al plano subyacente en todas las frecuencias de interés. La corriente de retorno tiene un camino de CA alrededor del corte del plano y no es visible para la señal.

La Figura 3 es una forma de onda TDR que muestra que no hay una degradación significativa como resultado de cruzar la división. La forma de onda azul es la señal cruzando la división del plano. La muy pequeña inflexión hacia arriba en el medio de la forma de onda es la ubicación de la división del plano. Esto elimina la preocupación sobre la calidad de la señal como resultado de los planos de tierra divididos. Además, la EMI no es un tema de preocupación. La traza mencionada anteriormente fue excitada con un generador de RF y sondeada con una sonda de campo cercano conectada a un analizador de espectro. Cuando la sonda se movía hacia adelante y hacia atrás a través de la división, no hubo cambio en el nivel de energía que se detectó.

Figura 3. Forma de Onda TDR de Señal Cruzando División de Plano en Figura 1

Comentarios Adicionales

Ruido de modo común: Una de las advertencias mencionadas anteriormente habla sobre dividir un plano para reducir el ruido de modo común. Modo común significa que hay dos elementos que tienen algo en común. Casi siempre se trata de un par diferencial. Si vas a tener ruido, esperarías que sea del modo común. Esto significa que el mismo tamaño de ruido está en ambos lados y que el par diferencial entonces ignora eso. Esta es la definición de un desplazamiento de tierra: es verdadero ruido de modo común y no tiene nada que ver con planos divididos en PCB.

Secciones analógicas y digitales de una placa: Otra advertencia citada anteriormente relaciona los cortes de plano con las secciones analógicas de una placa. Las divisiones tienen que ver con la distribución de dos voltajes de suministro de energía en el mismo plano y no con la ubicación de las secciones analógicas o digitales de una placa.

Resumen

Similar a otros temas de diseño de PCB que están envueltos en conceptos erróneos y suposiciones falsas, el uso de divisiones de plano está marcado por mucha desinformación y desorientación. Cuando se entiende que las divisiones de plano se limitan a la distribución de dos voltajes de suministro de energía en el mismo plano, se hace mucho más fácil incorporar cortes de plano en el proceso de diseño del sistema general y asegurar que los PCB funcionarán como se diseñaron, a la primera.

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Referencia

1. Ritchey, Lee W. y Zasio, John J., “Right The First Time, A Practical Handbook on High-Speed PCB and System Design, Volume 2.”