Hoy en día,placas de circuito impreso multicapase utilizan en la mayoría de los sistemas de circuitos de alta velocidad y muchos sistemas de circuitos tienen numerosas potencias de funcionamiento, lo que impone requisitos estrictos al diseño de los planos de imagen, especialmente a la resolución de las relaciones entre múltiples planos de alimentación/tierra. Además, es necesario diseñar una superficie especial de recubrimiento de cobre en el diseño de la capa de dispositivos para evitar que los osciladores generen energía de RF (radiofrecuencia) y proporcionar una excelente disipación de calor para los componentes de alta potencia.
Funciones de los planos de imagen
Los planos de imagen son una superficie revestida de cobre adyacente a las capas de señal en las placas de circuito impreso. Las funciones principales de los planos de imagen incluyen:
1).Reducción del ruido de reflujo y de EMI (Interferencia Electromagnética). Los planos de imagen proporcionan trayectorias con baja impedancia para el retorno de la señal, especialmente cuando circula una gran corriente en el sistema de distribución de energía. Además, reducen el área del lazo cerrado formado por la señal y su retorno, de modo que disminuye la EMI.
2).Controlar la diafonía entre líneas de señal en circuitos digitales de alta velocidad. La diafonía está determinada por la relación D/H, en la que D se refiere a la distancia entre la fuente de interferencia y el objeto interferido, y H se refiere a la altura de los planos de imagen entre las capas de señal. La relación D/H puede controlarse cambiando el valor de H, de modo que la diafonía entre las líneas de señal quede finalmente controlada.
3).Controlar la impedancia. La impedancia característica del cableado impreso está relacionada con el ancho de los conductores y la altura entre los conductores y los planos de imagen. Si no hay un plano de imagen, es posible que la impedancia no pueda controlarse, lo que conduce a la falta de adaptación de la línea de transmisión y a la reflexión de la señal.
Además, los planos de imagen también son capaces de controlar el ruido procedente de las reflexiones hacia las placas externas. Hay que reconocer que los planos de imagen por sí solos no son suficientes para la implementación de esas funciones; deben complementarse con reglas de diseño estrictas para alcanzar los objetivos esperados. Este hecho puede expresarse así: para controlar el ruido en circuitos digitales de alta velocidad, los planos de imagen son esenciales, pero no pueden funcionar por sí solos.
Omisión de Capas en el Reflujo de Señal
En las PCB multicapa, cada capa de trazado debe estar adyacente a un plano de referencia y el circuito de retorno de las señales fluye por el plano de referencia correspondiente. Cuando una línea de señal no pasa por una capa de trazado, el método habitual consiste primero en conectar la línea de señal a una capa de trazado y luego conectar la línea de señal a otra capa mediante orificios pasantes. Por lo tanto, la línea de señal salta de una capa a otra, y la corriente de retorno sigue el mismo camino. Cuando ambas capas son planos de tierra, la corriente de retorno puede saltar mediante orificios pasantes que conectan las dos capas o mediante pines de tierra. Cuando una capa es un plano de alimentación y la otra es un plano de tierra, la única oportunidad que tiene la corriente de retorno para saltar entre capas es en la posición donde se coloca un condensador de desacoplo. Si no hay condensador de desacoplo ni orificios pasantes que conecten el plano de tierra, el salto debe realizarse mediante una corriente de retorno que se ve obligada a seguir un camino mucho más largo, lo que hace que la corriente de retorno se desacople de otros circuitos y provoque diafonía y EMI.
Como resultado, en el proceso deDiseño de PCBlo mejor es configurar la omisión de capas en los pines de tierra adyacentes a los componentes o alrededor del condensador de desacoplo. Cuando esto no se pueda lograr, se pueden colocar vías de tierra (que salten entre dos capas de tierra) o un condensador de derivación (que salte entre una capa de alimentación y una capa de tierra) en el punto de omisión para permitir que la corriente de retorno salte.
Planos de división
En el proceso de uso de PCB multicapa, a veces es necesario generar un área sin lámina de cobre con cierta anchura, dividiendo un plano de imagen integrado en varias partes independientes, lo que se denomina planos divididos.
Los planos divididos se utilizan normalmente para evitar que el ruido interfiera en los circuitos sensibles y para aislar diferentes tensiones de referencia, como impedir que el ruido digital entre en las áreas analógicas, de audio y de E/S, así como para lograr el aislamiento entre las tensiones de alimentación de 5 V y 3,3 V.
Los planos divididos pueden clasificarse en división completa e incompleta. La primera se refiere al aislamiento total entre las capas de potencia y las capas de tierra después de la división. La segunda se refiere al aislamiento total entre las capas de potencia, mientras que las capas de tierra están conectadas mediante “puentes”. El uso de división completa o incompleta depende de si existe conexión de señal entre los planos divididos.
• Ejemplos de planos de separación
La Figura 1 es parte del diseño de planos de imagen de un circuito mixto analógico y digital de una plataforma de prueba. La entrada de video analógico se transmite al FPGA mediante la conversión AD y se entrega como conversión DA. Tanto el AD como el DA utilizan componentes de alimentación independientes para proporcionar energía. Los componentes digitales ocupan la mayor parte del espacio de la placa, mientras que los componentes analógicos solo ocupan una pequeña parte. Sin embargo, todos ellos son partes esenciales que son importantes para el rendimiento de todo el sistema. Por lo tanto, se debe tener mucho cuidado en el proceso de manejo de estos componentes. Lo ideal es que el ruido de la parte digital no entre en la parte analógica. Sin embargo, algunas señales de los conversores AD y DA están conectadas al FPGA de la parte digital. Para garantizar el retorno de estas señales conectadas, la alimentación digital y la alimentación analógica deben estar completamente aisladas, mientras que la tierra digital y la tierra analógica deben estar incompletamente aisladas, de modo que la influencia de la parte digital sobre la parte analógica se reduzca al mínimo.
Todas las líneas desde la parte digital hasta la parte analógica deben pasar a través del puente, cuyo tamaño de abertura debe ser justo el adecuado para el paso de los cables requeridos, de modo que el reflujo de la señal de datos pueda regresar por el puente, evitando la interferencia a otras señales como resultado del arrollamiento del camino de retorno. En este diseño de PCB, las tierras de las partes AD y DA están completamente aisladas entre sí.
• Algunos problemas en el proceso de división de planos
a. Superposición de capas de aislamiento
En las PCB multicapa, los planos divididos se utilizan normalmente para aislar diferentes alimentaciones. En términos generales, las capas de tierra correspondientes a estas alimentaciones están aisladas entre sí, es decir, cada alimentación tiene su propia capa de referencia. En el proceso de diseño de PCB, se debe evitar el solapamiento de las capas de aislamiento. Por ejemplo, en la mayoría de las PCB multicapa, las capas de alimentación y tierra de la parte analógica y de la parte digital están aisladas entre sí. La capa de alimentación analógica y la capa de tierra digital no deben solaparse en el espacio, tal como se muestra en la Figura 2.
Si aparece una capa de aislamiento superpuesta, surgirá una pequeña capacitancia de pad C1 en el área de superposición. Esta capacitancia hará que la energía de RF transmitida de una capa a otra capa aislada, estática e independiente reduzca la efectividad del aislamiento.
b. Colocación del condensador de desacoplo
Para filtrar el ruido de alta frecuencia generado por componentes de alta velocidad, se disponen muchos condensadores de desacoplo enPCB. Si aparecen planos divididos en las PCB, durante el proceso de diseño del trazado puede darse la situación de que las patillas de tierra del condensador de desacoplo no estén conectadas con otras capas de referencia de tierra, sino con la capa de tierra correspondiente. Este tipo de error puede producirse y provocar que el ruido se desacople de una capa a otra, lo cual es similar a la superposición de planos divididos. Por eso este problema debe abordarse en la fase de diseño. Tomemos de nuevo como ejemplo un circuito mixto digital‑analógico. La alimentación analógica se introduce desde la parte digital a través de una perla de ferrita y C1 se refiere a la capacidad de desacoplo de la parte digital. En la Figura 3A, las patillas de alimentación de C1 están conectadas a la alimentación digital mientras que las patillas de tierra están conectadas a la tierra analógica, lo que provoca el desacoplo del ruido digital de alta frecuencia en la parte analógica sensible, lo cual es una conexión incorrecta. La Figura 3B muestra una conexión correcta del condensador de desacoplo.
c. Puesta a tierra de punto único
Cuando se conectan entre sí capas de referencia de diferentes potencias, debe garantizarse una puesta a tierra en un solo punto. En el circuito mixto digital-analógico ejemplificado, las placas de circuito se clasifican en parte digital y parte analógica, y tanto la tierra digital como la tierra analógica tienen al menos dos puntos de conexión, de modo que la señal de ruido posiblemente forme una circulación entre las dos capas de referencia a través de esos dos puntos de conexión, lo que se denomina “bucle de tierra”. El bucle de tierra provocará ruido, EMI, consumo de energía y dificultad en la disipación de calor. Hay una solución sencilla al problema del bucle de tierra: mientras solo exista un punto de conexión entre las capas de referencia, no se puede formar un bucle.
Capas de suelo locales
Como parte de los planos de imagen, las capas de tierra locales se refieren a un recubrimiento de cobre en la superficie superior de las PCB, conectado directamente con la capa interna de tierra. Su función principal es capturar el flujo magnético de RF generado en el interior de algunos chips clave (por ejemplo, osciladores) o utilizarse para la disipación de potencia.
Para obtener un rendimiento excelente, los osciladores, cristales y soportes de reloj deben montarse sobre una capa de tierra local independiente. Las razones incluyen:
1).Si el oscilador está encapsulado en una cubierta metálica, la corriente de RF generada dentro de la cubierta metálica posiblemente será tan grande que sus pines de tierra no podrán conducirla a tierra mediante un método de bajo consumo de energía. Como resultado, esta cubierta metálica se convierte en una antena unipolar.
2).Siensamblaje de montaje superficialLa técnica se utiliza al colocar el oscilador en placas de circuito impreso (PCB); el problema mencionado anteriormente empeora, ya que normalmente se emplea material plástico en el encapsulado SMT, lo que impide que la corriente de RF se dirija al punto de tierra. Finalmente, la corriente de RF generada dentro del encapsulado se irradiará al espacio libre y se desacoplará de otros componentes.
3).Los osciladores ordinarios son capaces de impulsar el búfer de reloj que pertenece a componentes con velocidad súper alta y tasa de flanco rápida, produciendo una gran cantidad de corriente de RF, lo que posiblemente provocará fallos en la función de corriente.
Si se ensambla una capa de tierra local en el oscilador y el circuito de reloj, se proporcionarán planos de imagen, utilizados para captar la energía de RF generada en el interior del oscilador y los circuitos correspondientes, de modo que se pueda reducir la radiación de RF.
Regla de las 20 horas
Como regla empírica, la regla 20‑H describe que, en PCB multicapa de alta densidad, para reducir la energía electromagnética radiada al espacio libre por las placas de circuito, el tamaño de la capa de potencia debe ser menor en 20H que el de la capa de tierra, donde H se refiere a la distancia entre las dos capas. En la Figura 4, la parte izquierda indica la capa de potencia/tierra sin ningún diseño especial, en la cual la radiación de borde es tan fuerte que afectará las funciones del circuito adyacente. La parte derecha indica la situación de radiación de RF al disminuir el tamaño de la superficie de potencia en X‑H. Se puede observar que la capa de tierra atrae muchas líneas de fuerza magnética y la energía de radiación de RF disminuye. Según los resultados de los experimentos, la fuerza de radiación de RF comienza a disminuir a partir de 10‑H; en el caso de 20‑H, la tierra es capaz de atraer el 70% del flujo magnético; en el caso de 100‑H, la fuerza magnética es capaz de disminuir en un 98%.
Naturalmente, 20-H no es perfecto para todosEstructuras de PCBLa eficiencia de la regla 20-H depende de la frecuencia de operación, del tamaño físico de las capas de potencia/tierra y de la distancia entre ellas, siendo estos dos últimos elementos los que determinan la SRF (frecuencia de auto-resonancia) de la PCB. Las investigaciones indican que cuando la PCB opera en cualquier SRF, la regla 20-H no funciona y el plano de tierra tampoco logra atraer la energía de radiación. Peor aún, se generará una gran cantidad de energía de radiación. Por lo tanto, en los circuitos prácticos de alta velocidad, deben tenerse en cuenta las situaciones específicas al decidir si se debe elegir o no la regla 20-H.
