TRAZADO DE LA PLACA DE CIRCUITO IMPRESO Juan Martínez Mera
El diseño de una placa de c.i.. puede tener una gran diferencia en el comportamiento EM global del producto final. El diseño de una placa de c.i.. empieza por dibujar las pistas de masa. para incorporar después las señales criticas, como reloj de alta frecuencia o nodos sensibles que se deben llevar cerca de sus retornos de masa, y después orientar el resto del circuito a voluntad. La información que se adjunta con el esquema del circuito al delineante del proyecto debe incluir:
Particion fisica de los submódulos funcionales sobre la placa. Requisitos para ubicar los componentes sensibles. Marcadores en el diagrama del circuito. Lugares en los que los nodos de masa se pueden poner en común juntos y en los que no se deben Qué pistas de señal se deben llevar cerca de las pistas de masa.
TRAZADO DE LA MASA SIN UN PLANO DE MASA Impedancia de la pista Dos aspectos importantes en el diseño son: Las conexiones a masa, consiguiendo la reducción de las tensiones parasitas. Reducir al mínimo el valor de la propia impedancia de masa. La impedancia de pista depende de la inductancia a frecuencias por p encima de KHz. La inductancia se puede reducir de dos maneras: reduciendo al minimo la longitud del conductor y aumentando su anchura llevando su trayectoria de retorno paralela y cerca de ella.
La inductancia de una pista depende de su longitud y anchura. La inductancia de una pista viene dada por: L=0,005ln(2πh/w) (por ejemplo)doblar el ancho solo produce una reduccion del 75% en la inductancia. Para los conductores finos espaciados a mas de un centímetro, los efectos de la inductancia mutua son despreciables.
Masas en forma de rejilla En lugar de colocar pistas en paralelo podemos trazar las masas en forma de rejilla (Figura 5.10). reduce inductancia de masa. Es util para trazados complicados. preferible pista ancha a estrecha(inductancia mínima) Se puede seguir el sistema X-Y X Y de encaminamiento para las placas de doble cara, en donde las pistas de direccion X estan todas colocadas en un lado y las de direccion Y en otro, si la impedancia de agujero dela via se reduce al minimo.. Las pistas de señal ofensiva (di/dt dt altas) se pueden colocar cerca de las pistas de masa para mantener pequeña la zona global de bucles; esto puede implicar pistas de masa adicionales, lo que se debe considerar como una mejora aceptable.
MODELO DE MASA SEGÚN EL TIPO DE CIRCUITO Los circuitos analogicos a baja frecuencia no pueden compartir la misma masa que los digitales (mal funcionamiento por ruido de masa ). SOLUCION: se definen trayectorias de masa para impedir un acoplamiento por impedancia común. Si el ancho de banda de esos circuitos es bajo, el ruido de alta frecuencia debido a la inductancia de masa es un problema menor.
El único tipo de configuración de masa que no se debe utilizar en ninguna clase de circuito es el de tipo peine. Esta configuración fuerza a las corrientes de retorno a fluir en un bucle ancho y contribuye tanto a un mayor acoplamiento por radiación como a una mayor generacion de ruido de masa.
EL PLANO DE MASA El plano de masa se produce cuando hay un gran número de trayectorias paralelas. Lo que se hace es meter varias capas(menor inductancia). ventajas adicionales de una mayor densidad de montaje de componentes y una impedancia característica definida para todas las pistas de señal.
FINALIDAD: proporcionar una masa de baja impedancia y un camino de retorno de alimentación para reducir al mínimo el ruido de masa. Los efectos del blindaje de las pistas de señal son secundarios. La excepcion estara en donde haya un acoplamiento de campo E significativo. En este caso, poner los planos de masa y alimentación en las parte exterior de la placa proporcionara una proteccion de campo E a estas pistas(poco frecuente).
PLANO DE MASA EN LA PLACA DE CIRCUITO IMPRESO DE DOBLE CARA A frecuencias altas la corriente de retorno fluirá en la vencidad de su trazado de señal. Esto es asi porque esa ruta encierra el area mas pequeña tiene menor inductancia total. la utilización n global de un plano de masa garantiza que la trayectoria óptima de retorno siempre está disponible,(se consigue un area mínima inductiva).
UN PLANO DE MASA PARCIAL La inductancia total de las dos pistas paralelas que transportan corrientes en direcciones contrarias( señal y retorno) se dan en la ecuación siguiente: L=L 1 +L 2-2M En donde L 1 y L 2 son las inductancias de cada pista y M es la inductacia mutua entre ellas. M es inversamente proporcional a la separacion entre las pistas; si fueran juntas seria igual a L y la inductancia del bucle seria cero. En contraste, la inductacia de dos pistas identicas que transpornten corriente en la misma direccion viene dad por : L=(L+M)/2 a menor separación n de las pistas mayor la inductancia total
INTERRUPCIONES EN EL PLANO DE MASA El plano debe ser continuo en la direccion del flujo de corriente. Si no lo es se aumentaría el area del bucle mayor inductacia. Una interrupción en el plano de masa anulara su efecto beneficioso si interrumpe el flujo de corriente, sin que importe su anchura. Por eso se construyen capas múltiples con un plano de masa interno.
DIAFONÍA La diafonía es un fenómeno de EMC interno.(solución:plano de masa) El acoplamiento por diafonia entre dos pistas está provocado por las rutas de impedancia de masa comun inductivas y capacitivas. El electo del plano de masa es reducir de manera significativa la impedancia comun entre 40-70 db. El plano de masa también puede reducir el acoplamiento por inductancia mutua al asegurar que los bucles de corriente acoplados no son co-planares planares. El acoplamiento capacitivo no está directamente afectado por el plano de masa.
AREA DE BUCLE La principal ventaja de un plano de masa es que permite reducir el area de un bucle radiante. Si no se utiliza un plano de masa se puede utilizar componentes de dimensiones pequeñas con una separación mínima. Esos circuitos no deben tener su origen y su destino muy separado. Lo mismo es aplicable a las rutas de alimentación.las corrientes parasitas de la fuente de alimentación deben ser desacopladas a masa cerca de su origen mediante varios condensadores de pequeño valor bien distribuidos sobre la placa
CASOS PRACTICOS Fuente de alimentación conmutada aislada que utiliza un MOSFET de potencia que funciona a 400 KHz. Los tiempos de transición 10 ns. Por lo que el contenido armónico llega a los 100MHz. El condensador de desacoplamiento electrolítico se colocó a varios centímetros de los otros componentes. La inclusión de un condensador y el transformador redujo la corrientes de alta frecuencia.(emisiones por encima de 10MHz cayeron 20dB.
LA VENTAJA DEL MONTAJE SUPERFICIAL La tecnología de montaje superficial ofrece componentes de menor tamaño Se reduce el acoplamiento parásito.(área de bucle más pequeña) Para ello se debe construir una placa de capas múltiples con plano de masa. Cuando se utiliza una placa de capas múltiples, el área del bucle se reduce a la longitud de la pista por la altura del plano de pista a masa.
CONFIGURACION DE MASA DE E/S Para reducir las corrientes en modo común que aparecen en los cables requieren una zona limpia de masa.(sin ruido) Para ello: Se agrupan todos los cables E/S en una zona y se conectan sus protecciones y condensadores de acoplamiento a un plano de masa separado en esta zona. Esta masa limpia solo se debe conectar a la masa lógica interna en un punto. Esto evita que las corrientes de ruido fluyan a través del plano de masa limpio y lo contamine.
CIRCUITOS SEPARADOS DE MASA No se debe extender nunca un plano de masa digital sobre una sección analógica de la placa (acopla ruido). Se pueden conectar por punto en el conversor analogico/digital del sistema. Una forma barata es utilizar un CI separador que pueda ser referenciado a la masa de E/S.
CONEXIÓN DE LA PANTALLA DEL CABLE El desacoplamiento de entrada/salida es vital para mantener las corrientes parásitas en modo común del cable al mínimo. Si la pantalla del cable se toma en el punto incorrecto se genera una tensión de ruido que aparece como emisión radiada. Las pantallas de los cables se deben llevar siempre al punto de menor ruido con respecto a la masa de referencia.