el plano de masa

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
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 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
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 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=L1+L2-2M
• En donde L1 y L2 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 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.
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.