Propagación de la energía en un PCB

Siempre que realizamos un PCB debemos tener en cuenta que la corriente que circula por una pista de sección determinada genera un campo magnético perpendicular al flujo de corriente de esta. Si no controlamos la energía propagada en forma de campo electromagnético que producen las pistas y vías, podemos encontrarnos con el famoso fenómeno de interferencia electromagnética, que puede provocar inestabilidades tanto en las líneas de transmisión de datos, como en las señales analógicas, y también en la propia PCB con el medio. Pero ¿Cuáles son los fenómenos de desarrollo y propagación de energía desde el punto de vista de la radiofrecuencia?

Efecto pelicular del cobre

El efecto pelicular, efecto kelvin o efecto “skin”, se produce cuando la densidad de corriente no es uniforme en la sección del material, lo que hace que la variación del campo magnético en el conductor sea mayor en el centro, y menor en la periferia de la sección de pista de cobre.

Este fenómeno solo ocurre cuando la densidad de corriente varia. Por ello, este fenómeno en corriente continua no existe y, sin embargo, en corriente alterna si. No debemos olvidar que una línea de transmisión de datos no se comporta como un flujo de corriente continua, si no, que a alta frecuencia se producirá una variación de tensión a medida que se transmita la señal por la línea, y de este modo, aparecerá este efecto en las pistas y vías de la PCB.

Para comprenderlo mejor, consideremos una línea de transmisión de datos en un cable. En ella, los electrones se desplazan de manera radial hacia la superficie del contorno, aumentando la concentración en el mismo a medida que aumenta la frecuencia suponiendo que la línea de transmisión sea de sección circular.

“Distribución de electrones según el efecto pelicular” Fuente.

Se puede calcular a partir de la siguiente formula:

 

δ=o*

Donde:

 

o=4π*10-7 H/m.

=permeabilidad relativa del medio.

ρ=resistividad del medio m.

ω=frecuencia de la onda en rad/s.

 

Cuando nos encontramos en ese caso, en el que el flujo es a través de una pista en un PCB, el campo magnético producido por el flujo de corriente que atraviesa el conductor, deja de ser uniforme y centrado en el centro geométrico de la sección de la pista, y pasa a desplazarse a cada uno de los lados del contorno de la sección, lo que hace menos predecible y dificulta el control de la energía que se propaga en forma de campo.


“Distribución de campo electromagnético de una pista respecto a su plano de referencia (return path)” Fuente.

Para intentar tener control de este efecto primero debemos conocer las dos formas en las que se propaga la energía en un PCB.

Modo común y modo diferencial

En nuestro circuito siempre encontraremos dos tipos de flujo de corriente, que mas tarde las ¿¿¿entenderemos??? como energía propagada, estos son: las corrientes en modo común y en modo diferencial. Cada una de ellas determina la cantidad de energía propagada al medio.

La diferencia entre los dos tipos de flujo es sencilla de entender.  Imaginemos que tenemos dos pares de pistas, paralelas y de misma sección, una de transmisión de datos y otra de vuelta de estos, es decir, un camino de ida y vuelta (return path). Si enviamos información por una de ellas y vuelve por la otra estaremos en modo diferencial. Si enviamos información por ambas, estaremos en modo común.

En el modo diferencial, si las señales están desfasadas 180º, consideraremos que la potencia radiada es cero. Es decir, que la suma vectorial de ambas hará que causemos una interferencia mínima en el espacio. En este caso, la energía radiada se entiende como la resta de las energías radiadas por cada uno de los conductores, por lo que tendremos que buscar que las impedancias de ambas pistas sean similares para compensar el desfase entre ellas y lograr reducir la emisión. De este modo, comprenderemos porqué es importante tener un control de impedancias en nuestro diseño.

“Flujo de corrientes en modo diferencial”.

En el modo común, la energía se propagará a lo largo de ambas pistas, por lo que supondremos que este caso ocurre en una fase en común, es decir, una pista de retorno como suma vectorial de ambas, la de transmisión y el camino de vuelta. Por ello, la energía radiada se entiende como la suma de energías radiadas de ambos conductores.

“Flujo de corriente en modo común.”

Para una comprensión mas sencilla, el modo común se produce como ausencia de la cancelación de energías del modo diferencial. Esto se puede resolver como resultado de que las señales diferenciales que no son perfectamente opuestas en fases, produzcan que sus energías no se cancelen una a la otra. Así que, entenderemos el modo común como la parte de energía radiada que no es cancelada en el modo diferencial.

Cuando esto ocurre, puede dar lugar a fluctuaciones en los planos de alimentación y rebotes (bounce) en el plano de tierra.

Ahora que comprendemos cual es la manera en la que ocurre esa propagación de la energía, buscaremos la forma de tratar ambos casos para reducir la propagación de esta.

Reducir la energía radiada al espacio

Dado que ahora ya conocemos el efecto pelicular del cobre, y comprendemos que la distribución de los campos electromagnéticos no es uniforme en una línea de transmisión, y que, por tanto, la forma en la que estos radian energía no es siempre similar, podemos modificar las pistas y vías de un PCB para tratar de reducirlo.

Una de las técnicas de diseño pare reducir las corrientes de modo común en un PCB, es reducir la distancia del espacio entre la pista de transmisión de datos y la pista de retorno, o el plano de tierra (plano de referencia) por el que vuelve la corriente a la fuente.

En la mayoría de los casos, esto no es totalmente posible dado que entre las señales y el plano de referencia de estas debe haber una distancia específica, ya que deben de mantener la impedancia entre pistas de la PCB, como es el caso de los pares diferenciales. Para ello podemos usar el control de impedancia de Altium para mantener esa uniformidad en impedancias en el sistema.

Así que debemos irnos a la barra de menú de Altium, buscar “Design”, y dentro del submenú “Layer Stack Manager”. Una vez dentro, podemos seleccionar el número de capas de nuestro PCB, cuales de ellas serán planos y cuales capas de señales, y también podremos fijar el tipo de vía y entre qué capas se distribuirá. Para nosotros, la parte mas interesante es la de “Impedance”. Una vez seleccionada esa opción, podremos modificar las propiedades del control de impedancia que deseemos.

Por ejemplo, podemos asignarle: nombre, valor de la impedancia en ohmios, la tolerancia de esta, y el tipo de regla, es decir, una nueva regla para pares diferenciales, o para “single lines”.

 

“Menú de propiedades del control de impedancias”.

Por ultimo, para habilitar esta nueva regla, debemos seleccionar en las reglas la nueva opción de control de impedancias habilitada anteriormente.

 

“Seleccionamos la opción de 100 ohmios para todos los pares diferenciales”.

De este modo, Altium nos facilita el control de impedancias del PCB y así podremos tener un mayor control de la energía radiada al medio y al resto, de los campos electromagnéticos, señales y ondas con la que convive nuestro PCB.

 
 

About the Author

Jorge De Castro Casares


Jorge de Castro es investigador de proyectos I+D+i para el Instituto de Investigación ITAP (Instituto de Tecnologías Avanzadas de la Producción), de la Universidad de Valladolid.

Además, trabaja como Director de Innovación en desarrollo electrónico en Agrosmart Solutions S.L.

Cuenta con años de experiencia como técnico de ensayos de EMC, y como diseñador de PCBs en diferentes industrias: telecomunicaciones, IOTs y electrónica de control.

Jorge de Castro is a researcher of R+D+i projects for the ITAP Research Institute (Institute of Advanced Production Technologies), of the University of Valladolid (Spain).

In addition, he Works as a Director of Innovation in electronic Development at Agrosmart Solutions S.L.

With years of experience as an EMC testing technician, and as a designer of PCBs in different industries: telecommunications, IOTs and control electronics.

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