Análisis de integridad de potencia para su red de transmisión de energía

power resistor

La primera vez que construí una placa simple de corriente continua para potenciar un pequeño conjunto de sensores, me asombré por el nivel de ruido en mis mediciones de tensión. Sin duda alguna, el medidor de $5,000 que estaba usando no podía estar defectuoso y las fluctuaciones de salida de la fuente de alimentación eran menores que el ruido medido, por lo tanto ¿cómo era posible que mis señales estaban enfrentando semejantes problemas de ruido?

Jamás me podría haber imaginado que algunas malas decisiones de diseño en mi sencilla placa de corriente continua habían creado la oportunidad para que el ruido se acumulase por toda mi placa. Trabajar con el software de diseño y simulación adecuado, así como tomar algunas decisiones de diseño más inteligentes, me hubiera ahorrado semanas de tiempo y dolores de cabeza.

Planos de Potencia y Tierra en el Análisis de Integridad de Poder

Los planos de potencia y tierra son críticos para completar un circuito por su placa de circuito impreso (PCB, por sus siglas en inglés). La resistencia de estos planos debe ser reducida al máximo, lo que puede ser difícil, dado su rango y delgadez. Esto aumenta su resistencia, lo que puede llevar a dos efectos.

Primero, se pierde la potencia vía una caída de IR en el plano de potencia y los trazos que entregan energía a los componentes. Esto causa una ligera caída en la tensión vista por los componentes aguas abajo. De la misma manera, los bucles de tierra pueden fluir por varios componentes de su placa si la resistencia por el plano de tierra es muy amplia. 

Los bucles de tierra surgen a causa de las diferencias de potencial entre los dos puntos de tierra en un plano de potencia. Esto causa que la corriente fluya en sentido contrario por el circuito, lo que puede interferir con las señales referenciadas al plano de tierra. Fluctuaciones naturales del potencial del plano de tierra debidas al ruido de Johnson, ruido rosa (1/f), cualquier ruido inducido a causa de interferencia electromagnética, la onda, o cualquier otra variación espontánea en la tensión de salida y referencia de tierra también causan fluctuaciones en las corrientes de bucles de tierra. Estas fluctuaciones luego realizan un acoplamiento de manera inductiva al resto de la placa.

Identificando problemas en la integridad de potencia

Ya que un plano de tierra tiene una resistencia distinta de cero, es inevitable que habrá alguna variación en el potencial a través de un plano de tierra y un plano de potencia. Como diseñador, y para los fabricantes, su objetivo es de identificar estas diferencias de potencial y minimizarlas mediante las técnicas adecuadas de diseño.

Puede identificar la pérdida IR y posibles bucles de tierra utilizando una sola herramienta que simula la red de distribución de energía por toda su placa. La red de distribución de energía incluye el plano de tierra, el cual le permite identificar una caída IR excesiva y diferencias de potencial en el plano de tierra de manera simultánea. Un buen analizador de red de transmisión de energía le demostrará el potencial y la corriente a través de la potencia y los planos, además de los rieles de potencia y cualquier caída de tensión por las vías.

Este tipo de salida de una red de transmisión de energía es normalmente sobrepuesto en su diseño utilizando un mapa a color. Esto permite visualmente identificar con facilidad cualquier par de puntos que pueden exhibir altas diferencias de potencial, posiblemente llevando a bucles de tierra. Preste atención a las vías utilizadas para los retornos de señal a su plano de potencia, ya que éstas pueden dejar caer más tensión que los trazos a los cuales están conectadas.

Como regla general, las diferencias de potencial en el plano de tierra deben alcanzar niveles sub mV. Una diferencia en el potencial del plano de tierra de un tamaño tan minúsculo como 1 mV es suficiente para causar bucles de tierra que interfieren con las medidas sensibles de corriente continua, aunque no será de suficiente amplitud para causar una conmutación involuntaria en los circuitos digitales. El ruido inducido por fluctuaciones térmicas o dependientes sobre la fuente de alimentación en el potencial del bucle de tierra puede estar disminuido mediante el uso de un amplio condensador a través de las salidas de la fuente de alimentación o a través de las conexiones de los planos de potencia y tierra a la fuente de alimentación.

PCB from a switching power supply

Pautas de diseño para garantizar la integridad de potencia

Los pasos adicionales para disminuir el ruido creado por problemas de tierra y asegurar la integridad de la potencia por todo su dispositivo dependen en parte del tipo de fuente de alimentación que use. Por ejemplo, una fuente de alimentación conmutada genera su propio ruido de radiofrecuencia (RF) debido a la conmutación de circuitos integrados. Las fuentes de alimentación no reguladas tienen salidas de ondas importantes además de la salida de potencia prevista, al igual que las fuentes de alimentación reguladas, en un menor grado.

Estas variaciones no se pueden resolver del todo al nivel de las placas de circuito impreso (PCB, por sus siglas en inglés), aunque un diseñador puede intentar filtrar el ruido en las frecuencias de la onda o de conmutación de radiofrecuencias. Siempre debe usar las mejores prácticas de diseño para proteger de la interferencia electromagnética los trazos de señales y rieles de potencia críticos, sin importar si ésta origina otros componentes en una placa, una fuente de alimentación o por causa externa.

Los bucles de tierra, al igual que un fenómeno similar denominado rebote de tierra, puede surgir por motivos similares en una placa de circuito impreso debido al ruteo de señales por un plano de tierra. Como se mencionó anteriormente, las vías pueden dejar caer una amplia cantidad de tensión cuando son añadidas como un camino de retorno de corriente a un plano de tierra.

Las vías tienen cierta inductancia natural (normalmente al nivel nH), causando variación en la impedancia con la frecuencia de señal. Las vías que proporcionan un camino de retorno a tierra pueden crear discontinuidades en la impedancia, sobre todo con las señales digitales y análogas de alta frecuencia. Esto causa una reflexión de señal en varias vías por toda la placa.

Finalmente, cuando un gran número de señales en una red o a través de componentes se conmutan de manera simultánea, la inductancia mutua entre las vías causa la inducción de una señal a través del circuito. Esto se opone a la corriente que fluye a tierra. Según la ley de Ohm, ésto exige el aumento de potencial de tierra cerca de la vía, lo que puede llevar a una conmutación involuntaria en los circuitos digitales de arriba. Esta es la esencia del rebote de tierra, y la diferencia en el potencial de tierra que surge debido al rebote de tierra puede ser identificada con una herramienta de análisis de transmisión de energía.

 

Integrated circuits on a black PCB
 

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Sobre el autor

Acerca del autor

Zachariah Peterson


Zachariah Peterson has an extensive technical background in academia and industry. Prior to working in the PCB industry, he taught at Portland State University. He conducted his Physics M.S. research on chemisorptive gas sensors and his Applied Physics Ph.D. research on random laser theory and stability.

His background in scientific research spans topics in nanoparticle lasers, electronic and optoelectronic semiconductor devices, environmental systems, and financial analytics. His work has been published in several peer-reviewed journals and conference proceedings, and he has written hundreds of technical blogs on PCB design for a number of companies.

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