Cómo entender los planos de tierra en PCB de 2 capas

Como muchos diseñadores, mi primera placa fue una PCB de 2 capas y no utilizaba un plano de tierra. No era un diseño demasiado elaborado, simplemente un amplificador con algunos conectores y una conexión a un módulo DAQ que se comunicaba con una aplicación de LabVIEW. Cuando diseñas con componentes de orificio pasante sobre una placa perforada revestida de cobre, no hay forma de crear una zona de tierra continua en ningún punto de la placa, lo que perjudica la estrategia de conexión a tierra.

Prescindir de un plano de tierra en las PCB de 2 capas es un error habitual entre estudiantes y diseñadores con poca experiencia. Los diseños actuales, aunque no funcionen a velocidades extremadamente altas, necesitan utilizar un plano de tierra. Para los ingenieros de diseño con experiencia esto puede resultar evidente, pero para quienes están empezando puede ser un concepto difícil de comprender.

En esta guía analizaremos cómo colocar y utilizar correctamente un plano de tierra en una PCB, centrándonos específicamente en las placas de 2 capas. Un diseño con plano de tierra digital, incluso en una PCB de 2 capas, puede no necesitar una impedancia específica definida por el propio plano de tierra, pero aun así aporta grandes ventajas en términos de reducción de ruido y facilidad de enrutado.

¿Una PCB de dos capas necesita un plano de tierra?

En muchas situaciones, la respuesta sencilla es "probablemente sí". Hay casos en los que el dispositivo puede funcionar sin un plano de tierra, pero cualquier consultor de EMC te dirá que "funcionar" y "tener éxito" no siempre son lo mismo.

Definir correctamente la tierra, ya sea mediante un plano sólido o una tierra coplanar, es uno de los aspectos más importantes del diseño de PCB de 2 capas desde el punto de vista de la integridad de la señal y de la compatibilidad electromagnética (EMC). Muchas placas de 2 capas incluyen protocolos como SPI y USB, que requieren una referencia de tierra claramente definida para mantener una integridad de señal adecuada. Incluso en diseños de 2 capas que no utilizan estos protocolos rápidos y solo incluyen señales digitales más lentas o señales analógicas de baja frecuencia, sigue siendo necesario mantener unas emisiones electromagnéticas reducidas para cumplir la normativa EMC. Incorporar una tierra coplanar o un plano sólido ayuda a abordar tanto las emisiones como la susceptibilidad electromagnética.

Mi recomendación general es incluir siempre un plano de tierra o un vertido de cobre conectado a tierra en una PCB, incluso en un diseño de 2 capas, salvo que exista una razón de peso para no utilizarlo y se haya definido una estrategia de conexión a tierra alternativa capaz de proporcionar la conectividad necesaria. Si se implementa correctamente, este enfoque aporta numerosas ventajas que también se aplican a los diseños de PCB multicapa.

Ventajas de un plano de tierra electrónico en una PCB de 2 capas

Utilizar un plano de tierra en una PCB ofrece ventajas en términos de integridad de la señal, integridad de potencia, enrutado y reducción del ruido:

• EMI/EMC: colocar un plano de tierra debajo de las señales reduce su susceptibilidad inductiva a las interferencias electromagnéticas (EMI). En otras palabras, ayuda a reducir la diafonía generada dentro de la placa y el ruido inducido por fuentes externas. Colocar un plano de tierra en la capa inferior de una PCB de dos capas ayuda a reducir el ruido, ya que disminuye el área de bucle asociada a las señales.
• Conmutación estable: la trayectoria de retorno a tierra seguida por las señales tendrá una inductancia menor, lo que ayuda a crear una conexión a tierra de baja inductancia y a reducir el rebote de tierra. También facilita la colocación y el enrutado de los condensadores necesarios para mantener una alimentación estable.
• Facilidad de enrutado: en una placa de 2 capas con plano de tierra es sencillo conectar cualquier punto a tierra. Basta con añadir una vía y conectarla directamente al plano. Esto permite ahorrar mucho espacio que, de otro modo, tendría que dedicarse al enrutado de pistas o líneas de tierra.

En las placas de 2 capas, incluidas las placas densas que no presentan los problemas de EMI/EMC o de integridad de señal y potencia mencionados anteriormente, utilizar un plano de tierra también suele ser preferible a enrutar únicamente pistas de tierra. En prácticamente cualquier placa con varios componentes, simplemente no habrá espacio suficiente para enrutar pistas de retorno junto a todas las pistas de señal.

Colocar un plano de tierra debajo de los componentes y las pistas de señal correspondientes también permite dirigir los retornos de tierra directamente desde un componente hasta el plano mediante una vía. La señal de retorno seguirá entonces la trayectoria de menor impedancia hasta el retorno de la fuente de alimentación.

Esto también facilita la colocación de condensadores de bypass o desacoplamiento entre las conexiones de alimentación de los componentes más sensibles y el plano de tierra de la PCB, lo que ayuda a impedir que las fluctuaciones de alta frecuencia presentes en la alimentación, como las EMI conducidas procedentes de una fuente de alimentación conmutada, lleguen a dichos componentes.

Evitar la EMI con técnicas apropiadas de enrutamiento

Cuándo puede que no necesites un plano de tierra en una PCB

Si estás desarrollando una prueba de concepto o un prototipo y el diseño solo necesita funcionar de forma aceptable, es posible que puedas prescindir de un plano de tierra en la PCB, siempre que el diseño funcione correctamente con placas de desarrollo y una configuración sobre protoboard. Sin embargo, si quieres crear un producto destinado al mercado, podrías tener problemas de ruido excesivo o emisiones radiadas si la PCB no dispone de un plano de tierra.

En algunos diseños, resulta mucho más sencillo resolver el problema utilizando un plano de tierra en lugar de un plano de alimentación. Esta es una distinción importante y una de las razones por las que intento evitar afirmaciones del tipo «siempre/nunca» en este ámbito: el diseño puede funcionar como se espera, pero eso no significa que vaya a tener un nivel de ruido bajo ni que sea apto para su comercialización.

Dicho esto, hay algunos casos en los que probablemente puedas evitar el uso de un plano de tierra en la PCB y, aun así, conseguir que el diseño funcione correctamente y presente bajas emisiones:

• La protoboard supera las pruebas EMC: si el diseño supera las pruebas de compatibilidad electromagnética cuando está montado con módulos, cables y placas de desarrollo. Si el nivel de ruido es lo bastante bajo como para superar las pruebas EMC en estas condiciones, será difícil empeorar el comportamiento una vez que el diseño se integre en una PCB de 2 capas.
• Solo corriente continua: en diseños de corriente continua, normalmente se puede prescindir de un plano de tierra siempre que el sistema no funcione con alta potencia ni utilice reguladores conmutados. Estos diseños pueden ser susceptibles a las EMI, aunque es posible filtrarlas hasta un nivel prácticamente imperceptible. Además, el diseño no sufrirá los mismos problemas de integridad de señal y de potencia que suelen aparecer en las placas digitales.
• Baja densidad, sin señales digitales y acoplamiento estrecho: cuando una placa no digital tiene una densidad suficientemente baja, es posible enrutar una pista o línea de tierra junto a las señales o la alimentación y prescindir del plano de tierra. Si la densidad del diseño y la velocidad de las señales son lo bastante reducidas, el diseño podría seguir superando las pruebas EMC.

Mallado y vertido de cobre en zonas de tierra

Como estamos hablando de placas de 2 capas, uno de los primeros aspectos que debes tener en cuenta en el diseño es el espacio disponible, ya que no podrás enrutar señales a través de una capa interna de señal. Si el diseño limita el espacio disponible para los componentes, puede que necesites utilizar una estrategia de conexión a tierra alternativa en lugar de recurrir a un plano de tierra en la PCB. En vez de colocar un plano de tierra continuo en toda la capa inferior, existen otras dos técnicas que pueden utilizarse en una PCB de dos capas.

La primera opción consiste en utilizar un vertido de cobre. Es una buena alternativa si necesitas controlar la impedancia, por ejemplo en USB, ya que esta estará determinada principalmente por la presencia del vertido y no por el plano. Si no puedes dedicar una capa completa al plano de tierra, al menos puedes rellenar las zonas libres de la placa con cobre y crear una trayectoria de retorno a través de ese vertido. Después, solo tendrás que conectar entre sí las distintas zonas de cobre mediante vías.

Este vertido de cobre en la capa inferior de una PCB de 2 capas actúa como un plano de tierra electrónico. Observa las vías que establecen conexiones alrededor de esta capa de plano. En esta PCB, las conexiones están diseñadas para unir la tierra de la capa L1 con esta capa y, al mismo tiempo, proporcionar conexiones para los componentes.

Otra opción que a veces se menciona online es el mallado en capas alternas. Consiste en colocar dos patrones de rejilla perpendiculares entre sí, uno en cada capa, y conectarlos mediante vías en los puntos donde se cruzan. De este modo, todas las secciones de la malla se mantienen prácticamente al mismo potencial y se libera algo más de espacio para colocar componentes en ambas capas.

Un posible problema de este enfoque aparece al enrutar entre las rejillas de una misma capa. En ese caso, puede colocarse una pista conectada a tierra junto a una pista de señal y conectar esa pista de tierra a las secciones de tierra de la capa opuesta mediante vías.

Como ocurre con muchos consejos de diseño para PCB de 2 capas, el mallado implica ciertas concesiones: mediante un enrutado bien planteado puedes crear bucles de corriente de baja inductancia, pero podrías perder parte de la protección frente a EMI que proporciona un plano de tierra continuo. Además, es posible que la malla no te permita ganar realmente más espacio en la placa.

He visto recomendar el mallado en placas de dos capas como alternativa al uso de un plano de tierra continuo en una sola capa o a un vertido de cobre. Para señales de baja velocidad o baja frecuencia, o para placas de corriente continua, puede ser una opción válida.

Llega un punto en el que necesitas 4 capas o más

Existen algunas ideas equivocadas sobre el uso de apilados de PCB con más de dos capas. Una de las más habituales es pensar que las placas circuito impreso de cuatro capas tienen un coste prohibitivo. De esta idea se deriva otra: que el rendimiento eléctrico no cambia al pasar a una placa de cuatro capas y que, por tanto, una PCB de cuatro capas es innecesaria. Esto sencillamente no es cierto. Muchos productos requieren al menos cuatro capas, y no por la cantidad de señales utilizadas en el diseño. La necesidad de pasar a cuatro capas aparece cuando la densidad de una placa de dos capas es tan alta que resulta imposible definir una referencia de tierra adecuada para todas las señales.

Por ejemplo, observa el diseño de PCB que se muestra a continuación, correspondiente a una placa de dos capas. En esta vista están activadas tanto la capa superior como la inferior. Se utiliza tierra coplanar en ambas capas para definir la red de tierra. Desde esta perspectiva, podemos ver que muchas de las señales del diseño no tienen una referencia de tierra cercana en ninguna de las dos capas.

Si ampliamos algunas zonas del diseño de la PCB, podemos encontrar áreas en las que las señales pasan sobre un plano de tierra sólido o cerca de zonas de tierra coplanar. Sin embargo, en la mayor parte del diseño hay líneas de datos que no tienen una referencia de tierra cercana en ninguna de las dos capas.

Por este motivo, cabe esperar que las líneas de datos generen ciertas emisiones radiadas, incluso con velocidades de transmisión bajas, ya que dichas emisiones están determinadas por el tiempo de subida de la señal. Dado que muchos dispositivos digitales utilizan interfaces de E/S rápidas, existe una probabilidad elevada de no superar las pruebas de emisiones radiadas.

Incluso aunque el diseño supere estas pruebas, podría presentar problemas de susceptibilidad radiada, lo que obligaría a introducir cambios en el diseño de la PCB o en el producto en su conjunto.

¿Señales mixtas? Ten cuidado con las secciones del plano de tierra de tu PCB

Algunos diseños sencillos de PCB de 2 capas con plano de tierra pueden necesitar integrar señales digitales y analógicas en la misma placa. Una opción consiste en utilizar una conexión a tierra en estrella para dividir la capa posterior en una sección digital y otra analógica, manteniendo ambos planos conectados cerca del retorno de la fuente de alimentación. De este modo, se evita que las señales digitales sigan una trayectoria de retorno por debajo de componentes analógicos sensibles. La recomendación principal en este caso es:

• No enrutes sobre ningún hueco entre las distintas secciones del plano. Si una señal debe cruzar de una sección a otra, utiliza un plano de tierra uniforme o un optoacoplador para atravesar el hueco y mantener el aislamiento.

Enrutar pistas sobre una separación entre las zonas de tierra genera una trayectoria de retorno muy larga para las señales de retorno en el plano de tierra de la PCB, por lo que no es recomendable. Estas pistas pueden radiar con mucha intensidad y el circuito tendrá una elevada inductancia de bucle, lo que aumenta tanto la susceptibilidad a las EMI radiadas como su generación.

Tampoco es recomendable dividir por completo el plano de tierra de una PCB de 2 capas e intentar mantener las distintas secciones al mismo potencial mediante un componente como una perla de ferrita, ya que esto suele generar más problemas de EMI y ruido de los que resuelve. Esto es especialmente cierto cuando se intenta interconectar distintas tierras en un sistema con señales digitales distribuidas por toda la placa.

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