Introducción
El plano de tierra es posiblemente el elemento más crítico del diseño PCB moderno. Un plano de tierra bien diseñado garantiza la integridad de la señal, reduce la interferencia electromagnética (EMI), proporciona gestión térmica y crea una distribución de energía estable. Sin embargo, sigue siendo uno de los aspectos menos comprendidos del diseño de circuitos impresos.
Muchos diseñadores tratan el plano de tierra como una idea de último momento - simplemente rellenando áreas no utilizadas con cobre. Este enfoque conduce a pruebas EMC fallidas, problemas misteriosos de ruido y placas que funcionan en el banco de pruebas pero fallan en producción. La realidad es que el diseño del plano de tierra requiere tanta atención como el enrutamiento de señales.
Esta guía completa cubre todo lo que necesitas saber sobre los planos de tierra PCB: desde la física fundamental de las corrientes de retorno hasta técnicas avanzadas para diseños de alta velocidad y señal mixta. Ya sea que estés diseñando una placa simple de 2 capas o un sistema complejo de 8 capas, estos principios te ayudarán a crear diseños robustos y compatibles con EMC.
¿Qué es un Plano de Tierra PCB?
Un plano de tierra PCB es un área grande de cobre conectada a la referencia de tierra del circuito. Puede ocupar una capa completa en una placa multicapa, o representar una porción significativa de un diseño de una sola capa. A diferencia de las pistas de tierra estrechas que crean caminos de retorno largos e inductivos, un plano de tierra proporciona una referencia de baja impedancia y área amplia para todas las señales y potencia.
Piensa en el plano de tierra como un sistema de carreteras para las corrientes de retorno. Sin él, las corrientes de retorno deben tomar caminos secundarios estrechos (pistas), causando atascos de tráfico (alta inductancia), retrasos (problemas de integridad de señal) y contaminación (EMI). Con un plano de tierra adecuado, las corrientes de retorno tienen carriles ilimitados para viajar, resultando en una operación suave y eficiente.
Cuatro Funciones Críticas de los Planos de Tierra
Un plano de tierra diseñado correctamente cumple cuatro funciones esenciales en tu PCB:
1. Camino de Retorno para Corrientes de Señal
Cada pista de señal necesita un camino de retorno para su corriente. El plano de tierra proporciona este camino con inductancia mínima. A altas frecuencias, la corriente de retorno fluye naturalmente directamente debajo de la pista de señal a través de corriente de desplazamiento en el dieléctrico, creando un bucle estrecho de baja inductancia.
2. Referencia de Control de Impedancia
Las señales de alta velocidad requieren impedancia controlada (típicamente 50 ohmios single-ended o 90-100 ohmios diferencial). El plano de tierra proporciona la referencia para líneas de transmisión microstrip y stripline, permitiendo impedancia predecible mediante control cuidadoso del ancho de pista y la altura del dieléctrico.
3. Blindaje EMI
Los planos de tierra actúan como escudos electromagnéticos, reduciendo tanto las emisiones de tu placa como la susceptibilidad a interferencias externas. Un plano de tierra continuo puede mejorar el rendimiento EMI en 15dB comparado con una placa sin uno.
4. Estabilidad de Potencia (Capacitancia de Desacoplamiento)
Cuando se empareja con un plano de potencia estrechamente espaciado, el plano de tierra forma un gran capacitor distribuido. Esta capacitancia de plano ayuda a estabilizar la entrega de potencia y reduce el ruido de alta frecuencia en la red de distribución de potencia (PDN).
Comprender los Caminos de Retorno
El concepto más importante en el diseño del plano de tierra es comprender cómo fluyen las corrientes de retorno. Este único principio, correctamente comprendido, explica la mayoría de las reglas del plano de tierra y te ayuda a tomar decisiones de diseño inteligentes.
Cómo Fluye la Corriente de Retorno
Un concepto erróneo común es que la corriente de retorno toma el camino más corto de vuelta a su fuente. En realidad, la corriente de retorno toma el camino de menor impedancia, que varía con la frecuencia:
- En DC y bajas frecuencias - La corriente de retorno sigue el camino de menor resistencia, extendiéndose por todo el plano de tierra
- A altas frecuencias (por encima de ~1 MHz) - La corriente de retorno sigue el camino de menor inductancia, lo que significa que fluye directamente debajo de la pista de señal
Este comportamiento dependiente de la frecuencia ocurre porque la impedancia es Z = R + jwL. A bajas frecuencias, la resistencia (R) domina. A altas frecuencias, la reactancia inductiva (jwL) domina, y la corriente busca minimizar el área del bucle para reducir la inductancia.
Por Qué Esto Importa
Si no hay cobre directamente debajo de una pista de señal de alta velocidad, la corriente de retorno debe desviarse alrededor del espacio. Esto crea un área de bucle grande, aumentando la inductancia, causando reflexiones de señal y radiando EMI. Un solo espacio en tu plano de tierra debajo de una señal crítica puede causar falla EMC.
Minimizar la Inductancia de Bucle
La inductancia de bucle es la métrica clave para el rendimiento del plano de tierra. Menor inductancia de bucle significa:
- Bordes de señal más limpios con menos sobrepaso/subpaso
- Menores emisiones radiadas (mejor EMC)
- Mejor integridad de potencia con menos caída de voltaje
- Rebote de tierra reducido
Un plano de tierra mal diseñado podría tener una inductancia de bucle de 10-20 nH por señal. Un plano de tierra bien diseñado con referencia sólida puede reducir esto a menos de 5 nH, mejorando el rendimiento significativamente.
| Configuración | Inductancia de Bucle Típica | Rendimiento EMI |
|---|---|---|
| Pista de tierra (sin plano) | 20-50 nH | Pobre |
| Rejilla de tierra (2 capas) | 10-20 nH | Moderado |
| Plano de tierra sólido (4+ capas) | 2-5 nH | Bueno |
| Planos de tierra dobles (8 capas) | 1-3 nH | Excelente |
Estrategias de Apilamiento de Capas del Plano de Tierra
El apilamiento de capas determina dónde se encuentran los planos de tierra en tu PCB y qué tan efectivamente sirven a la integridad de señal y potencia. Cada nivel adicional de conteo de capas permite mejores configuraciones de planos de tierra.
Estrategias de Tierra para Placas de 2 Capas
Las placas de dos capas presentan el mayor desafío para el diseño del plano de tierra porque las señales y la tierra deben compartir espacio limitado. Las estrategias incluyen:
- Relleno de tierra en la capa inferior - Dedica la mayor parte posible de la capa inferior a tierra, enrutando señales en la parte superior
- Patrón de rejilla de tierra - Crea una rejilla de pistas de tierra cuando un relleno sólido no es posible. El espaciado de la rejilla debe ser menor a 1/10 de longitud de onda de la frecuencia más alta
- Pistas de tierra gruesas - Usa pistas de 50+ mil (1.25mm) para tierra para reducir resistencia e inductancia
Limitación de 2 Capas
Incluso con las mejores prácticas, las placas de 2 capas producen aproximadamente 15dB más radiación que las placas de 4 capas con planos de tierra dedicados. Para cualquier diseño con señales de alta velocidad (USB, SPI a 10+ MHz, o relojes por encima de 25 MHz), considera actualizar a 4 capas.
Placa de 4 Capas: El Mínimo para Calidad
Una placa de 4 capas permite planos dedicados de tierra y potencia, mejorando dramáticamente la EMI y la integridad de señal. El apilamiento recomendado es:
Este apilamiento coloca tierra directamente debajo de las señales de capa superior, proporcionando excelente continuidad de camino de retorno. El plano de potencia en la Capa 3 se empareja con tierra en la Capa 2 para formar capacitancia de plano para estabilidad de potencia.
Evita Este Error Común
NO uses apilamientos Señal-GND-GND-Señal o Señal-Potencia-GND-Señal. El primero no proporciona capacitancia de plano de potencia. El segundo coloca potencia lejos de las señales superiores sin camino de retorno local, y las señales que enrutan de Capa 1 a Capa 4 tendrán caminos de retorno rotos.
Placa de 6 Capas: El Punto Óptimo
Una placa de 6 capas agrega dos capas de señal entre los planos, permitiendo enrutamiento de alta velocidad enterrado con excelente blindaje. Apilamiento recomendado:
Esto proporciona enrutamiento de señal de alta velocidad blindado en la Capa 4, con planos de tierra en ambos lados. El espaciado estrecho L2-L3 crea excelente capacitancia de plano, mientras que los planos de tierra duales aseguran que cada señal tenga una referencia cercana.
Placa de 8 Capas: Cumplimiento EMC Completo
Una placa de 8 capas es el mínimo para lograr todos los objetivos EMC sin compromisos. Proporciona dos planos de tierra dedicados, un plano de potencia y múltiples capas de señal blindadas.
Beneficios clave del apilamiento de 8 capas:
- Tres planos de tierra proporcionan referencias redundantes
- Todas las capas de señal tienen referencia de tierra adyacente
- El enrutamiento stripline en L3 y L6 está completamente blindado
- Par potencia-tierra estrechamente acoplado en el centro
Consideración de Costo
Pasar de 4 a 6 capas típicamente aumenta el costo en 30-40%. Pasar de 6 a 8 agrega otro 30-40%. Sin embargo, el costo de una sola falla EMC (rediseño + reprueba + retrasos) a menudo excede la diferencia de costo para una tirada de producción completa.
Mantener la Continuidad del Plano de Tierra
La regla más importante para el diseño del plano de tierra es mantener la continuidad. Cualquier ruptura, espacio o división en el plano de tierra fuerza a las corrientes de retorno a desviarse, creando grandes áreas de bucle que irradian EMI y degradan la integridad de señal.
Por Qué Fallan los Planos de Tierra Divididos
La práctica de dividir planos de tierra en secciones analógicas y digitales es uno de los mitos más persistentes en el diseño PCB. Aunque la intención - aislar circuitos digitales ruidosos del analógico sensible - es válida, la implementación casi siempre causa más problemas de los que resuelve.
Por qué fallan los planos de tierra divididos:
- Interrupción del camino de retorno - Cuando las señales deben enrutar a través de la división (lo cual es inevitable para conexiones ADC/DAC), la corriente de retorno no tiene camino directo. Debe fluir alrededor de la división, creando una antena de bucle masiva.
- Efecto de antena de ranura - El espacio entre planos divididos actúa como una antena de ranura, radiando eficientemente a frecuencias donde la longitud de la ranura se aproxima a media longitud de onda.
- Impedancia aumentada - El punto de conexión estrecho entre planos divididos (si están conectados) crea alta impedancia en esa ubicación, derrotando el propósito de una tierra de baja impedancia.
Consenso de la Industria
Los principales fabricantes de semiconductores incluyendo Analog Devices, Texas Instruments y Linear Technology (ahora parte de ADI) recomiendan usar un único plano de tierra sólido para la mayoría de los diseños de señal mixta. Las divisiones solo deben considerarse para sistemas de muy alta precisión con múltiples buses digitales de alta corriente.
Disciplina de Enrutamiento Sobre Tierra
En lugar de dividir el plano de tierra, logra el aislamiento analógico-digital mediante cuidadosa colocación de componentes y disciplina de enrutamiento:
- Separación física - Coloca componentes analógicos en un área, digitales en otra, pero sobre un plano de tierra continuo
- Enrutar en el lado correcto - Mantén las señales analógicas en la sección analógica, señales digitales en la sección digital, en todas las capas
- Nunca cruces el límite invisible - Imagina una línea entre secciones. Ninguna señal debe cruzarla excepto las líneas de datos ADC/DAC necesarias
- Conciencia del camino de retorno - Cuando las señales deben conectarse entre secciones, asegúrate de que su corriente de retorno permanezca en la misma sección (usa vías de tierra cercanas)
Este enfoque permite que las corrientes de retorno fluyan naturalmente bajo sus pistas de señal sin interrupción, mientras mantiene un aislamiento efectivo entre secciones de circuito.
Costura de Vías y Conexiones de Tierra
La costura de vías conecta planos de tierra en diferentes capas, creando una estructura de tierra tridimensional. Cuando se hace correctamente, las vías de costura reducen EMI, mejoran el rendimiento térmico y mantienen la continuidad del camino de retorno.
Cuándo se Requiere la Costura de Vías
La costura de vías es esencial en estas situaciones:
- Alrededor de los bordes de la placa - Crea un perímetro de tierra que reduce la radiación de borde y proporciona un camino para corriente ESD
- Alrededor de circuitos sensibles - Forma una cerca de vías que blinda secciones RF, osciladores y amplificadores de alta ganancia
- Entre múltiples capas de tierra - Asegura que todos los planos de tierra estén al mismo potencial
- En rellenos de cobre - Conecta rellenos de tierra superficiales a planos de tierra internos
Guías de Espaciado de Vías
El espaciado entre vías de costura depende de tu frecuencia de operación más alta:
| Aplicación | Frecuencia | Espaciado de Vías |
|---|---|---|
| Digital general | <100 MHz | 10-15 mm |
| Digital alta velocidad | 100-500 MHz | 5-10 mm |
| RF (2.4 GHz) | 2.4 GHz | <3 mm (1/10 longitud de onda) |
| Microondas | >5 GHz | <1.5 mm |
La regla general: el espaciado de vías debe ser menor a 1/10 de longitud de onda a tu frecuencia más alta de interés. Esto hace que la cerca de vías parezca sólida para las ondas electromagnéticas.
Vías de Tierra para Transiciones de Capa
Cuando una pista de señal cambia de capa usando una vía, su corriente de retorno también debe cambiar de capa. Esto requiere una vía de tierra cercana para mantener la continuidad del camino de retorno.
Mejor Práctica
Coloca una vía de tierra dentro de 2-3 diámetros de vía de cada transición de vía de señal. Para señales de alta velocidad (USB, Ethernet, DDR), coloca vías de tierra en ambos lados de la vía de señal. Esto asegura que la corriente de retorno tenga un camino inmediato para seguir la señal a la nueva capa.
No proporcionar vías de camino de retorno fuerza a la corriente de retorno a encontrar otro camino, potencialmente fluyendo a través de toda la placa para alcanzar la siguiente conexión de tierra. Esto crea un área de bucle grande e irradia EMI.
Diseño de Tierra de Señal Mixta
Las placas de señal mixta que contienen circuitos tanto analógicos como digitales presentan desafíos únicos de conexión a tierra. La clave es prevenir que el ruido de conmutación digital corrompa las mediciones analógicas sensibles mientras se mantienen caminos de retorno adecuados.
El Enfoque de Plano de Tierra Sólido Único
Para la mayoría de los diseños de señal mixta con corriente digital baja a moderada (un solo ADC/DAC con microcontrolador típico), el mejor enfoque es un plano de tierra único e ininterrumpido con diseño cuidadoso:
- Mantén las corrientes analógicas y digitales separadas mediante diseño - Las corrientes de retorno fluyen naturalmente bajo sus pistas de señal. Si mantienes las señales analógicas en el área analógica, sus corrientes de retorno también permanecen allí.
- Punto estrella en ADC/DAC - Conecta pines AGND y DGND en el IC como recomienda el fabricante. No separes estas conexiones.
- Entrada de potencia de punto único - Toda la potencia debe entrar a la placa en una ubicación, con regulación separada para rieles analógicos y digitales si es necesario.
Estrategia de Particionamiento de Componentes
La clave para un diseño exitoso de señal mixta es el particionamiento de componentes - organizar tu placa en regiones distintas sin dividir físicamente el plano de tierra:
Región Analógica
- Circuitos de referencia ADC/DAC
- Amplificadores de precisión
- Interfaces de sensores
- Filtros analógicos
Región Digital
- Microcontrolador
- Memoria
- Interfaces de comunicación
- E/S digital
Región de Potencia
- Reguladores de conmutación
- MOSFETs de potencia
- Capacitores de volumen
Mantén la región de potencia lejos de los circuitos analógicos sensibles, ya que los reguladores de conmutación son fuentes importantes de EMI. Las regiones digital y analógica pueden estar adyacentes pero deben tener un límite claro que las señales crucen solo cuando sea necesario.
Cuándo la Conexión a Tierra en Estrella Tiene Sentido
La conexión a tierra en estrella - conectar regiones de tierra separadas a un único punto común - es apropiada solo en situaciones específicas:
- Analógico de muy baja frecuencia (<100 kHz) - Equipos de audio, instrumentación de precisión donde el desplazamiento DC importa
- Sistemas mixtos de alta potencia - Controladores de motor compartiendo una placa con analógico sensible
- Sistemas galvánicamente aislados - Donde el aislamiento de seguridad requiere tierras separadas
Advertencia
Si usas conexión a tierra en estrella, NUNCA debes enrutar señales a través del espacio entre regiones de tierra. La única conexión entre regiones debe ser a través del punto estrella. Cualquier señal que cruce crea un bucle EMI grande. Por eso la conexión a tierra en estrella rara vez funciona en diseños modernos de señal mixta con interfaces de alta velocidad.
Relleno de Cobre y Relleno de Tierra
Los rellenos de cobre (también llamados rellenos o inundaciones de tierra) llenan áreas no utilizadas del PCB con cobre conectado a tierra. Cuando se hacen correctamente, mejoran el rendimiento EMI y la disipación térmica. Cuando se hacen incorrectamente, crean más problemas de los que resuelven.
Mejores Prácticas de Relleno de Tierra
- Siempre conecta rellenos a tierra - Nunca dejes cobre flotante. El cobre flotante actúa como una antena y puede acoplar ruido en señales cercanas.
- Costura rellenos a planos de tierra - Usa vías cada 10-15mm para conectar rellenos superficiales a planos de tierra internos
- Mantén distancia a señales - Mantén al menos 2x ancho de pista de distancia entre relleno y pistas de señal para evitar acoplamiento capacitivo
- Elimina islas aisladas pequeñas - Configura tu herramienta EDA para eliminar islas de cobre menores a 1mm cuadrado (no sirven ningún propósito y complican la fabricación)
Evitar Islas de Cobre Flotante
El cobre flotante - cobre no conectado a ninguna red - es un peligro significativo de EMI. Puede:
- Acoplar capacitivamente ruido entre señales
- Resonar a frecuencias específicas, amplificando ruido
- Actuar como una antena, radiando o recibiendo interferencia
Causas comunes de cobre flotante:
- Islas de cobre creadas por enrutamiento que corta parte de un relleno
- Rellenos en áreas sin conexión de vía de tierra
- Asignaciones de relleno a red configuradas incorrectamente
Consejo EasyEDA/KiCad
Ejecuta una verificación DRC específicamente buscando cobre no conectado. La mayoría de las herramientas EDA pueden identificar islas de cobre flotante. En EasyEDA, usa Design -> Check DRC y busca advertencias de "Área de cobre no conectada". Elimina o conecta estas islas antes de fabricar.
Planos de Tierra para Diseño de Alta Velocidad
Las señales de alta velocidad (USB, HDMI, DDR, PCIe, Ethernet) tienen requisitos estrictos de plano de tierra. El plano de tierra no es solo un camino de retorno - es una parte integral de la línea de transmisión que define la impedancia y calidad de la señal.
Control de Impedancia con Referencia de Tierra
Las líneas de transmisión de impedancia controlada requieren una referencia de tierra consistente. La impedancia depende de:
- Ancho de pista (W) - Pistas más anchas tienen menor impedancia
- Altura del dieléctrico (H) - Distancia de pista a plano de tierra
- Constante dieléctrica (Er) - Propiedad del material, típicamente 4.2-4.8 para FR4
- Espesor de cobre (T) - Típicamente 1oz (35um) o 2oz (70um)
| Interfaz | Single-Ended (ohm) | Diferencial (ohm) |
|---|---|---|
| USB 2.0 | - | 90 |
| USB 3.0 | - | 90 |
| HDMI | - | 100 |
| DDR4 | 40 | 80 |
| Ethernet (10/100) | - | 100 |
| Single-ended general | 50 | - |
Cualquier discontinuidad en el plano de tierra debajo de una pista de impedancia controlada crea una discontinuidad de impedancia, causando reflexiones de señal y calidad de señal degradada. Incluso un pequeño espacio puede causar un pico de impedancia del 10-20%, excediendo la tolerancia típica de +/-10%.
Microstrip vs Stripline
Los dos tipos principales de línea de transmisión tienen diferentes requisitos de plano de tierra:
Microstrip
- Señal en capa externa
- Plano de tierra en capa interna adyacente
- Expuesto al aire (Er efectivo más bajo)
- Más fácil de fabricar
- Menos blindaje, más EMI
Stripline
- Señal en capa interna
- Planos de tierra arriba Y abajo
- Incrustado en dieléctrico
- Mejor blindaje, menor EMI
- Requiere más capas
Para mejor rendimiento EMI, enruta señales de alta velocidad como striplines entre planos de tierra. Esto requiere al menos una placa de 6 capas. Si usas 4 capas, microstrip en Capa 1 con tierra en Capa 2 es aceptable pero tendrá mayor EMI.
Mitigación de Rebote de Tierra y SSN
El rebote de tierra ocurre cuando muchas salidas conmutan simultáneamente, causando diferencias de voltaje transitorias entre tierra del IC y tierra del PCB. El Ruido de Conmutación Simultánea (SSN) es la manifestación a nivel de sistema de este efecto.
El rebote de tierra causa:
- Transiciones lógicas falsas
- Errores de temporización (violaciones de setup/hold)
- Jitter aumentado
- Radiación EMI
Estrategias de mitigación:
- Capacitores de desacoplamiento - Coloca capacitores de 100nF dentro de 3mm de cada pin de potencia. Agrega capacitores de volumen de 1-10uF cercanos.
- Múltiples pines de tierra - Conecta cada pin de tierra directamente al plano de tierra. Nunca encadenes pines de tierra.
- Conmutación escalonada - Si es posible, desplaza los tiempos de conmutación de salida en incluso 1ms para reducir la demanda de corriente simultánea.
- Paquetes de baja inductancia - Los paquetes BGA tienen mucha menor inductancia que QFP debido a alambres de unión más cortos.
- Usa LVDS - La señalización diferencial de bajo voltaje tiene consumo de corriente constante independientemente del estado lógico, eliminando transitorios de conmutación.
Consideraciones Térmicas
Los planos de tierra sirven como disipadores de calor, distribuyendo energía térmica a través del PCB. El diseño térmico adecuado asegura que los componentes permanezcan dentro de la temperatura de operación mientras mantienen el rendimiento eléctrico.
Pads de Alivio Térmico
Cuando los pads de componentes se conectan a grandes planos de cobre, el plano actúa como un disipador de calor durante la soldadura, dificultando lograr juntas de soldadura adecuadas. Los pads de alivio térmico resuelven esto usando radios estrechos para conectar el pad al plano:
- Usa alivio térmico para pads de agujero pasante - Todos los pines de agujero pasante que conectan a planos deben usar alivio térmico
- Pads SMD: depende de la aplicación - Para la mayoría de los pads SMD, usa alivio térmico. Para pads de alta corriente que necesitan baja resistencia, usa conexiones sólidas.
- Las vías generalmente no necesitan alivio térmico - Como las vías no se sueldan, las conexiones sólidas son preferidas para baja impedancia
Configuraciones Típicas de Alivio Térmico
- Ancho de radio: 8-12 mil (0.2-0.3mm)
- Número de radios: 4 (separados 90 grados)
- Ancho de espacio: 10-15 mil (0.25-0.4mm)
- Diámetro antipad: Diámetro del pad + 2x espacio
Vías Térmicas a Planos de Tierra
Las vías térmicas transfieren calor desde pads térmicos de componentes a planos de tierra internos y cobre del lado opuesto, mejorando significativamente el rendimiento térmico:
- Diámetro de vía - 0.2-0.4mm (8-16 mil). Más pequeño para diseños densos, más grande para mejor transferencia térmica.
- Espaciado de vía - 1-1.2mm (40-48 mil) de centro a centro para prevenir la absorción de soldadura durante el reflujo
- Cantidad de vías - Para un componente de 5W, usa al menos 4-6 vías de 0.3mm de diámetro. Esto puede reducir temperaturas locales en 20 grados C.
- Conexión - Las vías térmicas deben conectarse a planos de tierra con conexiones sólidas (sin alivio térmico) para mejor transferencia de calor
Ejemplo de Cálculo
Una vía térmica con taladro de 0.3mm, revestimiento de 1oz (25um) tiene aproximadamente 70-100 grados C/W de resistencia térmica. Cinco de tales vías en paralelo proporcionan aproximadamente 15-20 grados C/W, permitiendo transferencia de calor efectiva a planos internos.
Planos de Tierra para RF y Antenas
Los circuitos RF y las antenas tienen requisitos específicos de plano de tierra que difieren de los diseños digitales estándar. El plano de tierra no es solo una referencia - es parte de la estructura radiante.
Requisitos del Plano de Tierra de Antena
Para antenas monopolo (como antenas chip para WiFi/Bluetooth), el plano de tierra PCB actúa como el segundo elemento de un dipolo. El dimensionamiento adecuado del plano de tierra es crítico:
| Frecuencia | Longitud de Onda | Tamaño Mínimo de Plano de Tierra |
|---|---|---|
| 2.4 GHz (WiFi/BT) | 125mm | 35mm x 35mm |
| 915 MHz (LoRa) | 328mm | 82mm x 82mm |
| 433 MHz | 693mm | 173mm x 173mm |
El plano de tierra debe extenderse al menos 1/4 de longitud de onda desde el punto de alimentación de la antena en todas las direcciones. Para una antena chip de 2.4 GHz, esto significa al menos 35mm de plano de tierra sólido detrás y al lado de la antena.
Zonas de Exclusión RF
El área directamente debajo y alrededor de una antena debe estar libre de cobre en todas las capas:
- Debajo de la antena - Zona completamente libre de cobre en todas las capas. Sin tierra, sin potencia, sin pistas.
- Extremos de antena - Extiende la exclusión 3-5mm más allá de los bordes del elemento de antena
- Costura de vías - Coloca vías de costura a lo largo del borde del plano de tierra cerca de la antena, espaciadas a menos de 1/10 de longitud de onda (alrededor de 1.25mm para 2.4 GHz)
Error RF Común
Colocar componentes, pistas o relleno de cobre en la zona de exclusión de antena es la causa número uno de bajo rendimiento inalámbrico. Siempre sigue las dimensiones de exclusión recomendadas por el fabricante de antena exactamente. En caso de duda, haz la exclusión más grande.
Errores Comunes del Plano de Tierra
Evita estos frecuentes errores de diseño del plano de tierra que causan fallas EMI y problemas de integridad de señal:
1. Enrutar señales sobre espacios del plano de tierra
Cualquier señal enrutada sobre un espacio fuerza a la corriente de retorno a desviarse, creando una gran antena de bucle. Incluso un pequeño espacio puede causar falla EMC.
2. Dividir planos de tierra para aislamiento analógico/digital
Esto casi siempre empeora la EMI. Usa particionamiento y disciplina de enrutamiento en lugar de divisiones físicas.
3. Dejar islas de cobre flotante
El cobre no conectado actúa como una antena. Conéctalo a tierra con vías o elimínalo completamente.
4. Faltan vías de camino de retorno en transiciones de capa
Cada vía de señal necesita una vía de tierra cercana para corriente de retorno. Coloca vías de tierra dentro de 2-3 diámetros de vía de las vías de señal.
5. Costura de vías insuficiente
Los rellenos de tierra no cosidos a planos internos no proporcionan ningún beneficio. Usa vías cada 10-15mm (más frecuentemente para RF).
6. Plano de tierra en la capa incorrecta en el apilamiento
La tierra debe estar en la Capa 2 (directamente debajo de las señales superiores), no en la Capa 3. El apilamiento Señal-Potencia-Tierra-Señal es problemático.
7. Encadenar pines de tierra del IC
Cada pin de tierra debe conectarse directamente al plano de tierra mediante su propia vía. El encadenamiento aumenta la inductancia y el rebote de tierra.
8. Cobre en zona de exclusión de antena
Cualquier cobre debajo o inmediatamente alrededor de una antena degrada el rendimiento. Sigue las especificaciones de exclusión del fabricante exactamente.
Lista de Verificación del Diseño del Plano de Tierra
Usa esta lista de verificación para verificar tu diseño del plano de tierra antes de enviar a fabricación:
Apilamiento de Capas
- Plano de tierra en Capa 2 (adyacente a capa de señal superior)
- El apilamiento es simétrico (balanceado)
- Los planos de potencia y tierra están estrechamente espaciados (para capacitancia)
- Todas las capas de señal tienen referencia de tierra adyacente
Continuidad
- El plano de tierra es continuo (sin divisiones a menos que se requiera aislamiento galvánico)
- No hay señales enrutadas sobre espacios del plano de tierra
- No hay islas de cobre flotante (todo el cobre conectado o eliminado)
Costura de Vías
- Vías de tierra colocadas cerca de todas las vías de señal (dentro de 2-3 diámetros)
- Rellenos de tierra cosidos a planos internos (cada 10-15mm)
- El borde de la placa tiene cerca de vías para contención EMI
- Las secciones RF tienen costura de vías densa (espaciado 1/10 longitud de onda)
Señales de Alta Velocidad
- Las pistas de impedancia controlada tienen referencia de tierra continua
- Los pares diferenciales tienen tierra entre ellos y a los lados
- Las señales de alta velocidad no cruzan divisiones de plano
Integridad de Potencia
- Cada pin de tierra del IC conectado directamente al plano de tierra
- Capacitores de desacoplamiento dentro de 3mm de pines de potencia del IC
- Vías de tierra del capacitor de desacoplamiento adyacentes al capacitor
Térmico
- Pads de alivio térmico en conexiones de agujero pasante a planos
- Vías térmicas bajo componentes de potencia (4-6 mínimo para 5W+)
RF/Antena (si aplica)
- Zona de exclusión de antena despejada en todas las capas
- El plano de tierra se extiende 1/4 longitud de onda desde la antena
- Costura de vías en el borde del plano de tierra cerca de la antena
Conclusión
El plano de tierra es la base de cada diseño PCB exitoso. Proporciona el camino de retorno para todas las señales, establece la impedancia para pistas de alta velocidad, protege contra EMI y estabiliza la distribución de potencia. Hacerlo bien requiere comprender cómo fluyen realmente las corrientes de retorno - siguen el camino de menor inductancia, no la distancia más corta.
Principios clave para recordar:
- Mantén la continuidad - Un plano de tierra continuo es casi siempre mejor que uno dividido. Usa disciplina de enrutamiento para aislamiento, no espacios físicos.
- Piensa en 3D - Usa costura de vías para conectar planos de tierra a través de capas y mantener caminos de retorno a través de transiciones de capa.
- Planifica tu apilamiento - Tierra en Capa 2 adyacente a señales superiores es crítico. Considera 6+ capas para diseños de alta velocidad.
- Apoya cada señal - Cada pista necesita una referencia de tierra debajo de ella. Sin excepciones para señales de alta velocidad.
Siguiendo las pautas en este artículo, crearás placas que pasan pruebas EMC, mantienen integridad de señal y funcionan confiablemente en producción. El tiempo invertido en el diseño adecuado del plano de tierra rinde dividendos en depuración reducida, menos rediseños y mejor rendimiento del producto.
Preguntas Frecuentes
¿Debo usar un plano de tierra en una placa de 2 capas?
Sí, dedica la mayor cantidad posible de la capa inferior a tierra. Aunque no puedes lograr un plano verdaderamente continuo con señales también en esa capa, maximizar la cobertura de tierra mejora significativamente la EMI. Usa rellenos de tierra en áreas no utilizadas en la capa superior también, cosidos a tierra inferior donde sea posible.
¿Cuándo debo dividir el plano de tierra para analógico y digital?
Casi nunca. La mejor práctica moderna es usar un plano de tierra sólido único con particionamiento cuidadoso de componentes y disciplina de enrutamiento. Los planos divididos causan más problemas EMI de los que resuelven porque las señales inevitablemente deben cruzar entre secciones. Solo considera divisiones para analógico de precisión de muy baja frecuencia (<100 kHz) o cuando se requiere aislamiento galvánico por seguridad.
¿Cuántas vías necesito para la costura de vías?
Espacía las vías de costura a 10-15mm para diseños generales, 5-10mm para digital de alta velocidad, y menos de 1/10 de longitud de onda para RF (alrededor de 3mm a 2.4 GHz). Más vías es generalmente mejor - el costo es mínimo comparado con los beneficios EMI.
¿Qué pasa si enruto una señal de alta velocidad sobre un espacio en el plano de tierra?
La corriente de retorno debe desviarse alrededor del espacio, creando un área de bucle grande. Esto causa discontinuidad de impedancia (reflexiones de señal), inductancia de bucle aumentada y radiación EMI significativa. Un solo espacio bajo una pista USB o Ethernet puede causar que el diseño falle la certificación EMC.
¿Debo usar alivio térmico en todas las conexiones de tierra?
Usa alivio térmico en pads de agujero pasante y pads SMD que se soldarán a mano. Para vías y pads en ensamblaje de reflujo únicamente, las conexiones sólidas son aceptables y proporcionan mejor rendimiento eléctrico y térmico. Nunca uses alivio térmico en vías térmicas diseñadas para transferencia de calor.
¿Qué tan cerca deben estar los capacitores de desacoplamiento de los pines de potencia del IC?
Dentro de 3mm para ICs digitales estándar, y lo más cerca posible físicamente para ICs de alta velocidad. La vía de tierra del capacitor debe estar inmediatamente adyacente al capacitor, no varios milímetros lejos. El área de bucle formada por el pin de potencia, capacitor y vía de tierra debe minimizarse.
¿Cuál es el tamaño mínimo del plano de tierra para una antena WiFi?
Para WiFi/Bluetooth de 2.4 GHz, el plano de tierra debe extenderse al menos 35mm (aproximadamente 1/4 de longitud de onda) desde la alimentación de la antena en todas las direcciones donde existe tierra. Planos de tierra más pequeños degradan significativamente la eficiencia y el alcance de la antena. El área directamente debajo y alrededor de la antena (típicamente 5-10mm) debe estar completamente libre de cobre.
¿Una placa de 4 capas siempre es mejor que 2 capas para EMI?
Generalmente sí - una placa de 4 capas con plano de tierra dedicado típicamente tiene 15dB menos EMI que una placa de 2 capas. Sin embargo, la mejora depende del apilamiento adecuado (tierra en Capa 2) y no enrutar sobre espacios de tierra. Una placa de 4 capas mal diseñada con enrutamiento de señal a través del plano de tierra puede ser peor que una placa de 2 capas bien diseñada.