La impedancia de los planos de referencia

Descubre cómo funciona la impedancia en un plano de referencia en un circuito impreso y su unidad óhmios/cuadrado. Recuerda que un plano de masa es importante porque es el camino de retorno para las pistas de señal trazadas junto a él. Es importante para evitar problemas de compatibilidad electromagnética (CEM) (Leer más) 


En una tarjeta de circuito impreso (TCI) multicapa los planos de referencia son los planos de masa y los planos de alimentación. Algunas TCI usan varios planos de masa. Cuando hay necesidad de usar varias tensiones de alimentación, se debe decidir a cual de ellas asignar un plano de referencia. Normalmente la tensión de 3,3 voltios es la más usual hoy en día para alimentar la mayoría de los circuitos integrados (CI) digitales. Algunos CI se autogeneran otras tensiones internamente. En las áreas de circuitería analógica normalmente no se usan planos de alimentación, pero si de masa. En una TCI digital, todos los planos de referencia deben diseñarse con el mismo objetivo: obtener la menor impedancia posible para evitar problemas de compatibilidad electromagnética (CEM), tanto de emisiones como de susceptibilidad. 

 

En una tarjeta TCI multicapa los planos de referencia, aunque sean extensos, no ofrecen un valor de impedancia igual a cero, a pesar de que ofrecen de tres a cuatro órdenes de magnitud menor impedancia que una sola pequeña pista aislada.

 

Un plano de masa es importante porque es el camino de retorno para las pistas de señal trazadas junto al plano. Cuando la frecuencia de la señal aumenta, la corriente de retorno tiende a circular por el plano de masa de forma que el área del bucle formado es mínima. En otras palabras, la corriente "busca" el camino de más baja inductancia y por tanto de más baja impedancia. 

La figura 1 muestra la gráfica de la impedancia de un plano de referencia perfecto: un plano de cobre infinito. Un plano de referencia ideal no tiene inductancia porque ninguna línea de campo magnético se puede cerrar alrededor del conductor: sólo exhibe resistencia, efecto pelicular y una muy pequeña inductancia interna, dentro del metal.

 

Estos parámetros aumentan en función de la raíz cuadrada de la frecuencia, una vez que el espesor del cobre supera el valor de la profundidad del efecto pelicular. Esto es una ventaja sobre la impedancia de una simple pista que solo aumenta en función de la frecuencia. 


Por ejemplo, si estimamos el ancho de banda (AB) de una señal con un tiempo de subida de 5 ns, AB = 0,5 / tr = 0,5 / 5ns = 100 MHz. A esta frecuencia, un gran plano de masa muestra una impedancia superficial de unos 4,5 mΩ/cuadrado. Una corriente transitoria de 30 mA debida a una conmutación digital a través de esta impedancia provocará una caída de tensión de 135 μV a lo largo de la masa común, independientemente de la longitud del camino de retorno. Si debido a las vías pasantes y a las ranuras de los conectores u otros componentes, el plano queda agujereado, éste se aleja de ser un plano ideal totalmente sólido y por ello su impedancia aumenta.

 

La unidad Ω/cuadrado o ohmios por cuadrado es una unidad de resistencia superficial (o impedancia superficial) entre los dos bordes paralelos de un material conductor en forma de película fina, como es un plano de cobre en una TCI. La resistencia de un material con forma de cuatro lados se define como la resistencia, en ohmios, multiplicada por su anchura y dividida por su longitud. Dado que la longitud y el ancho de un cuadrado son iguales, el valor medido de la resistencia será el mismo para cualquier tamaño del cuadrado. La resistencia superficial de un material se puede expresar en ohmios, pero en este contexto se expresa con la unidad ohmios por cuadrado o Ω/cuadrado.

 

Una forma de comprobar que el conjunto de planos de masa (uno o más planos) en una TCI es adecuado, es realizar medidas de diferencia de potencial entre diversos puntos de la misma, mediante un osciloscopio  de alta frecuencia (mínimo 500 MHz de ancho de banda) con una sonda diferencial. Para evitar tener problemas de emisiones radiadas, una buena distribución de masa no debe exceder en ningún par de puntos de la masa la tensión diferencial de 500 mVp-p. Se considera una buena masa en la TCI si esta tensión no excede el valor de 300 mVp-p. Con un buen conjunto de planos de masa no se excede los 200 mVp-p. En el caso de que estas tensiones sean superiores a las antedichas, se debe mejorar la distribución de la masa. Una forma de mejorar la masa es añadir planos de masa en la TCI para así reducir su impedancia.

 

Por desgracia, los planos de masa infinitos no existen en la práctica. Los planos de masa reales son finitos y la distribución de corriente a través de su espesor no es uniforme. A baja frecuencia,  el retorno de las corrientes por el plano de masa se produce por el camino de mínima resistencia.  Esto significa que las corrientes retornan por una amplia zona del plano de masa y están uniformemente distribuidas por toda la sección transversal del cobre. 

A medida que la frecuencia aumenta, las corrientes tienden a circular por la superficie del cobre debido al efecto pelicular, aumentando la resistencia efectiva. La reactancia inductiva del camino de retorno de la corriente aumenta al aumentar la frecuencia. A alta frecuencia su valor es mayor que el de la resistencia. El camino de menor inductancia en el plano de masa está situado debajo de la pista de señal ya que entre la pista y el plano existe una inductancia mutua  y además las corrientes en la pista y el plano son opuestas.  


Ésta inductancia mutua se resta a la inductancia total del bucle. Si acercamos la pista de señal al plano de masa,  la corriente de retorno se concentra en una zona menor debajo de la pista (2D en la figura 2). Una buena aproximación es considerar que el 90% de la corriente de retorno se encuentra en una anchura 2D = 10 x h. Esto, por sí solo, se corresponde con un camino estrecho que ya no tiene una impedancia superficial en Ω/cuadrado si no que es una impedancia lineal en Ω/cm. 

Para una misma longitud de 10 cm del camino de circulación de la corriente, la figura 3 muestra una comparación del valor de impedancia entre: 

  • Una pista aislada de 1 mm de ancho, típica en una TCI de una sola capa, con las pistas de la alimentación y la masa muy separadas de ella.
  • Una pista aislada de 1,6 mm de ancho, situada por encima de un plano de masa.
  • Una malla cuadriculada de masa con un tamaño de malla de 5 mm, típica en una TCI de 2 capas.
  • Un plano perforado con agujeros circulares de 1 mm de diámetro y una separación de 1,25 mm de centro a centro (como si fueran vías pasantes).
  • Un plano de cobre de 35 micras de espesor, de 10 cm de ancho.
  • Un plano infinito ideal.

 

Como se deduce, aunque se trace una buena malla de masa en una TCI de 2 capas, siempre la impedancia de un plano de masa es menor. Cuanto menos perforado esté un plano, menor impedancia tendrá. En la práctica cualquier TCI tiene sus planos de masa más o menos agujereados. Si la densidad de vías de una TCI es alta, la única forma de disminuir la impedancia es añadir uno o más planos de masa. 

Referencias:

 

·          Michel Mardiguian, “Controling Radiated Emissions by Design”, Springer  2014

·          Robert F. German, Henry W. Ott, Clayton R. Paul, “Effect of an Image Plane. on Printed Circuit Board Radiation”, 1990 IEEE International Symposium on Electromagntic  Compatibility

·          Robert F. German, “Use of a ground Grid to Reduce Printed Circuit Board Radiation”, IBM Corpotation 

·          Francesc Daura Luna, “El mito del coste del número de capas de un circuito impreso y la compatibilidad electromagnética”, Revista Española de Electrónica”, Febrero 2014

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Comentarios: 1
  • #1

    Joel Invers (domingo, 18 diciembre 2016 09:43)

    Felicidades por el artículo. Realmente bueno e interesante.

    Un saludo,
    Joel Invers

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