Ventajas de usar circuitos multicapa
¿Cuándo utilizar los circuitos multicapa?
Los circuitos impresos multicapa son una fuente esencial de recursos en el desarrollo electrónico actual. La razón principal para utilizar Circuitos impresos de cuatro o mas capas es disponer de planos de cobre del tamaño de la tarjeta conectados al voltaje de referencia y de alimentación (0V, GND,Vcc, etc.), los cuales nos servirán de blindaje a todo nuestro circuito no solo contra los ruidos parásitos generados por agentes externos sino que nos ayudarán a que nuestro diseño no sea generador de radiación electromagnética (EMI).
Además de obtener conexiones a tierra y de alimentación directamente desde los terminales de alimentación de los componentes, el diseñador tendrá la posibilidad real de diseñar pistas conductoras adecuadas para circuitos que sean sensibles al ruido, minimizando el tamaño de las conexiones, el área de los bucles, y las impedancias compartidas lo cual facilita plenamente este objetivo en el ambiente actual donde abundan campos de señales externas tales como torres de celulares, redes Wi-Fi, equipos electrónicos que no cumplen normas de Compatibilidad Electromagnética (EMC), etc.
El avance tecnológico actual de la industria electrónica exige productos que trabajen a frecuencias cada día más altas y que además de ser inmunes al ruido, deben concentrar la mayor funcionalidad en el mínimo espacio posible.
Debido al continuo avance tecnológico, los desarrolladores de circuitos deben considerar el problema que generan la velocidad de trabajo de los procesadores, buses de datos etc., así como el desempeño de las transmisiones seriales que se extienden actualmente al rango de los Giga Hertz. Por lo tanto, los diseños que requieran alguna de estas características necesariamente se deben implementar en circuitos multicapa donde se tienen recursos para reducir la emisión y contaminación electromagnética (EMI).
¿Qué es EMI?
La interferencia electromagnética denominada también EMI por sus siglas en ingles (Electro-magnetic Interference) es la perturbación producida cuando una corriente eléctrica varía rápidamente y puede ocurrir en cualquier circuito electrónico causada por una fuente interna o externa al mismo pudiendo interrumpir, limitar o degradar el funcionamiento del producto.
Ejemplos de fuentes de producción de estas emisiones son los taladros, los switches de iluminación, las descargas electrostáticas, el sol, las auroras boreales etc. Por lo tanto todo producto electrónico está expuesto a la influencia de este fenómeno tal como se observa en la figura.
Cuando una señal se propaga por un conductor, parte de la energía que transporta se pierde en forma de radiación electromagnética hacia el entorno y esta radiación aumenta considerablemente con la frecuencia, dicho en otras palabras cualquier circuito va a comportarse como una antena receptora y/o transmisora más o menos efectiva dependiendo de la distribución de las pistas que circulan por el mismo, y el efecto de tales interferencias es proporcional a la longitud de la pista o al área del bucle.
Diseñando PCBs con compatibilidad EMI / EMC:
La regla fundamental para los dispositivos actuales de alta frecuencia de trabajo y con tiempos de conmutación cada día más pequeños, exige que las interconexiones entre los componentes de un circuito impreso, sean lo más cortas posibles para su buen funcionamiento. En el caso de una pista que corresponda a una señal sensible, entre más largo sea su recorrido en un circuito impreso, más posibilidad tendrá de contaminarse de emisiones electromagnéticas (EMI) externas o presentes en otras etapas de la tarjeta, o de convertirse en una “antena” generadora de las mismas como se ilustra en la figura.
Cumpliendo con este propósito, los ingenieros podrán en principio diseñar conexiones muy cortas de alimentación y voltaje de referencia (Vcc, Gnd) con solo trazar una vía lo más cercana al Pin del dispositivo que se quiera conectar “bajando” hacia la capa o plano de alimentación respectivo sin necesidad de buscar por donde llegar a dicho punto sobre las capas Top o Bottom tal como se muestra en la siguiente ilustración:
Esta característica de los circuitos multicapa por si sola presenta una ventaja adicional ya que ahorra espacio que antes era ocupado por pistas de alimentación, permitiendo utilizar un mayor número de componentes por unidad de superficie lo cual se va a traducir en un menor tamaño de la tarjeta. Similar procedimiento se podrá aplicar en los puntos críticos del circuito que contengan señales que por su naturaleza sean susceptibles de generar o ser contaminadas por interferencias electromagnéticas, diseñando pistas mas cortas y que eventualmente puedan “blindarse” con planos de tierra internos lo que conducirá a obtener un circuito más inmune al ruido comparado con el mismo diseño en un circuito de una o dos capas.
¿Qué son Power Planes?
Un “Power Plane” o plano de alimentación en circuitos multicapa usualmente es una capa interna de cobre del tamaño de toda la tarjeta, dedicada exclusivamente a suministrar potencia distribuida por toda el área del circuito impreso a los diferentes puntos de alimentación requeridos, utilizando para ello una via metalizada que conecta de la manera más corta dicha capa con el punto en mención, reduciendo al mínimo la EMI ocasionada por conexiones largas de este tipo. Un circuito impreso multicapa puede contener varios planos de alimentación comúnmente denominados Vcc, +B, etc.. y de referencia, GND, 0V, etc.
En el caso de tarjetas multicapa el plano de alimentación debe ser adyacente al plano de referencia de voltaje (0V) para lograr la mayor capacidad de la fuente con respecto a tierra. En el caso de circuitos de 6 o más capas lo ideal es utilizar planos de tierra adyacentes a las capas TOP y BOTTOM para proveer blindaje a las señales criticas y obtener así una reducción significante de las emisiones electromagnéticas (EMI) generadas.
Como regla general en una tarjeta de cuatro capas se atenúan 15 db las emisiones generadas lo cual hace evidente las ventajas que se tienen en este campo sobre los circuitos de dos capas.
¿Cómo blindar señales de alta velocidad con Planos de tierra?
Las capas internas de tierra en un circuito multicapa pueden blindar otras capas de señales para incrementar su inmunidad al ruido. En la figura inferior se ilustra el caso de un circuito de 6 capas donde además de tener planos de alimentación para VCC y GND (Capas 3 y 4) se adiciona un plano de cobre (Capa No. 2) adyacente a la cara TOP y otro a la capa BOTTOM (Capa No. 5) las cuales están conectadas a tierra (GND) pero no transmiten potencia de alimentación a ningún punto de las caras que están blindando.
Como norma, un buen diseño en seis capas deberá incluir un plano de tierra adyacente a cada capa que contenga señales cuya integridad se desee preservar al máximo.
¿Qué es integridad de una señal?
Una señal conserva su integridad cuando no ha sido distorsionada por las propiedades eléctricas de las interconexiones o de agentes externos tales como las emisiones electromagnéticas (EMI) de otras etapas del circuito o de emisiones propias del mundo exterior o por ejemplo de equipos no homologados en este tipo de característica. La susceptibilidad de una señal para ser afectada por esas emisiones es mucho menor en un circuito de cuatro o más capas. Esta característica adquiere vital importancia a medida que se aumenta la velocidad de operación de los diseños.
Capacidad térmica de los planos de tierra
La superficie de los planos internos en un circuito multicapa debera ser tenida en cuenta para mejorar la disipación térmica de componentes de montaje superficial generadores de calor tales como como transmisores tipo QFN con pad termico etc. que requieren evacuar rápidamente el calor generado por el dispositivo para ser disipado en ocasiones solo en las capas de cobre internas y/o externas de la tarjeta en lugar de utilizar un disipador.
PRECAUCION: Las anteriores consideraciones estan basadas en las experiencias y prácticas comunes de los procesos de Fabricación y Ensamble de circuitos impresos y son publicadas con propósitos educativos solamente. Úselas bajo su propio riesgo.
Bibliografía:
PCB Stackup
http://www.hottconsultants.com
Signal Integrity Tutorial