Por qué las líneas de alimentación de PCB deben tener baja impedancia

Como se ha señalado en varios de mis artículos y en la información sobre diseño de PCBs disponible para la industria, conseguir la impedancia correcta es crítico para asegurar que un producto funcionará adecuadamente y según lo diseñado.

Lo que no es tan fácilmente entendido y puede permanecer como un desafío si no se aborda adecuadamente durante la fase de desarrollo del producto, es la necesidad de que todas las vías de alimentación de la PCB sean de baja impedancia para que se pueda evitar el exceso de ondulación en las señales. Este artículo abordará esta necesidad, incluyendo qué constituye la electrónica de vías de alimentación, cómo funcionan, cómo el miedo puede ser un factor impulsor en la toma de malas decisiones de diseño, y qué es una vía de alimentación.

Visión general de la impedancia

La impedancia es una propiedad significativa de las líneas de transmisión. Es la resistencia que una línea de transmisión presenta al flujo de energía a lo largo de ella. Está compuesta por tres elementos parásitos: resistencia, capacitancia e inductancia. Como se ha demostrado, la resistencia parásita es el factor principal que determina la impedancia de la línea de transmisión en corriente continua o bajas frecuencias. A medida que la frecuencia supera los pocos kilohercios, la reactancia de la inductancia parásita tiende a bloquear o impedir el flujo de energía. Al mismo tiempo, la capacitancia parásita tiende a desviar la energía hacia el "suelo" o el plano. Son estos dos elementos los que trabajan juntos de tal manera que el campo electromagnético ve una impedancia específica en todas las frecuencias.

La Definición de las Pistas de Potencia en PCB

Entonces, ¿qué es una pista de potencia? Una pista de potencia es toda o parte de una capa plana que se utiliza para algún voltaje, suministra energía para hacer funcionar el circuito. En prácticamente todas las placas de circuito impreso, algunas señales, a menudo la mitad de ellas, tienen que ser enrutadas sobre las capas de potencia. Como resultado, es inevitable que cualquier ondulación o ruido presente en un plano de potencia dado se acople a cualquier señal que esté siendo enrutada sobre ese plano en particular.

Ripple consiste en las variaciones de voltaje que aparecen en las líneas de Vcc o Vdd de las fuentes de alimentación. Estas variaciones pueden ser creadas por la propia línea de alimentación o por las corrientes de carga variables que causan que el voltaje de suministro disminuya. En términos de ruido, diez posibles fuentes pueden ser generadas por diseño. Incluyen:

• Reflexiones
• Rebote de tierra
• Desplazamientos de tierra
• Desplazamientos térmicos
• Caída de IR en pistas
• Diafonía
• Caída de IR en tierra
• Precisión de referencia
• Ruido del terminador
• Variaciones de la fuente de alimentación

En términos de esta discusión donde casi todos los dispositivos lógicos son CMOS, las fuentes de ruido más probables son reflexiones, diafonía, Vdd, y rebote de tierra y ripple en Vdd.

Para evitar tener un exceso de ondulación en las señales, los rieles de la PCB deben ser diseñados para tener una impedancia muy baja. Como resultado, al observar el delta I versus la ondulación, como sucede al usar las herramientas EDA que calcularán cuál será la impedancia, es posible obtener una respuesta que indica que la impedancia va a ser relativamente alta. El nivel de ondulación aún será satisfactorio. Esto sucede cuando el delta I es un número realmente pequeño. La impedancia resulta ser realmente alta, pero eso es porque no hay mucha carga. Nota: Cabe señalar que algunos electrónicos de rieles de potencia son de baja potencia, pero ese no es un punto de discusión para este artículo.

Los Desafíos

El desafío de diseñar un riel de alimentación de PCB para que sea de baja impedancia es que el riel de alimentación probablemente sea una parte de un plano y no el plano completo en sí. Por lo tanto, es necesario particionar el plano de alimentación, pero al hacerlo, habrá huecos. Como resultado, las señales que cruzan sobre los huecos parecerán tener su camino de corriente de retorno interrumpido por los huecos. Este problema se resuelve diseñando esa parte del plano para que sea de muy baja impedancia entre el plano y la capa de tierra debajo de él, de modo que la corriente de retorno encuentre su camino a través del hueco mediante esa sección que es de muy baja impedancia.

El enfoque anterior elimina la necesidad de abordar el enrutamiento de trazas sobre los huecos en los planos, lo cual muchas reglas de diseño dicen que no se puede hacer. La Figura 1 muestra los datos medidos de señales que cruzan sobre un hueco que ha sido diseñado de esta manera. La traza azul es la señal que cruza un hueco en el plano sobre el cual está enrutada. La pequeña reflexión ascendente en el centro de la traza es donde se encuentra el hueco. Como se puede ver, la señal sobre el hueco no se ve interrumpida. (La traza roja es una señal en una traza más corta que no pasa sobre un hueco).
 

Subyacente a todo esto está la regla inquebrantable de que no se deben cortar los planos de tierra, ya que son las estructuras que unen todo. Nuestra experiencia ha demostrado que cuando los desarrolladores de productos hacen cortes en sus planos de tierra, o están intentando resolver un problema que han imaginado o están tratando de solucionar el problema de aislar un circuito de otro. El razonamiento clásico y erróneo detrás de esto es separar los suelos analógicos y digitales. Esto sucede cuando los ingenieros de diseño no entienden por qué hay dos pines diferentes en una pieza, uno analógico y otro digital, que proporcionan el camino hacia el chip. Estos ingenieros a menudo operan desde una base de miedo a que haya interferencias no deseadas de un lado de la placa al otro. Como resultado, cortan la placa para aislar lo que, en el análisis final, es un problema imaginario.

La situación anterior puede surgir de un desarrollador de productos que ha visto, durante la simulación, que hay una diferencia o interferencia no deseada entre un lado de un PCB y el otro y que es lo suficientemente significativa como para que vaya a causar un problema. Siempre que nos enfrentamos a este tipo de escenario, pedimos ver los datos medidos del hardware real en funcionamiento. Solo a través de este tipo de evidencia se puede determinar fácilmente un problema.

Resumen

Para evitar el exceso de ondulación de las señales, las vías de alimentación de los PCB deben ser de baja impedancia. Dado que el circuito de la vía de alimentación probablemente sea parte de un plano y no el plano entero en sí, es necesario particionar el plano de alimentación. Esto creará brechas, y parecerá que estas brechas interrumpen el camino de retorno de la corriente. Esto se resuelve mediante la ingeniería de esa parte del plano para que sea de baja impedancia, de modo que la corriente de retorno encuentre su camino a través de estas brechas.

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