¿Cuál es la ruta de la corriente de retorno en una PCB?
Uno de los aspectos fundamentales de cualquier diagrama de circuitos es la ruta de la corriente de retorno. En un diagrama de circuitos y un esquemático, debería resultar obvio qué ruta sigue la corriente eléctrica para retornar al extremo de baja potencia de una fuente de alimentación, pero es posible que en una PCB no esté tan claro. Como decía el gran Eric Bogatin en su presentación de PCB West 2019, la diferencia entre un esquemático y el diseño de una PCB reside en los espacios en blanco del esquemático. Es decir, es necesario tener en cuenta la geometría del diseño de la PCB para poder comprender a fondo cómo se mueve la corriente a través del sistema.
La geometría de tus pistas y planos internos es tan solo uno de los factores que determinan la ruta de la corriente de retorno en el diseño de una PCB. La señal propiamente dicha elegirá, en cierto sentido, su propia ruta de retorno. En cuanto un diseñador comprende cómo la geometría y las características de una señal afectan a la ruta de retorno, le resulta más sencillo determinar dicha ruta de retorno de las señales sin acudir a solucionadores de campo 2D o 3D.
¿Qué es lo que determina la ruta de la corriente de retorno en una PCB?
Nos gusta decir que la corriente sigue la ruta que presenta la menor resistencia, pero en realidad esto solo es así para los circuitos de CC. Con las señales que varían en el tiempo, la corriente de retorno sigue la ruta de menor reactancia, que es también la de menor impedancia. Esto quiere decir que la ruta de retorno en tu PCB está determinada exclusivamente por la impedancia del circuito que lleva la corriente de retorno.
Si esto te suena esotérico, piensa por un momento en la estructura de una PCB moderna. La corriente circula desde la fuente de alimentación a lo largo de rieles de alimentación o un plano de potencia, descendiendo a los componentes, y finalmente al plano de tierra, desde donde regresa al extremo de baja potencia de la fuente de alimentación. Toda esta ruta posee cierta impedancia asociada.
Si volvemos por un momento a la electrónica básica, la impedancia que experimenta la corriente en tus circuitos puede dividirse en una porción resistiva (independiente de la frecuencia) y otra reactiva (dependiente de la frecuencia). En realidad, cualquier circuito en una PCB real puede comportarse como puramente resistivo, puramente capacitivo, o puramente inductivo, según la geometría, el comportamiento de los distintos componentes y la frecuencia de la señal que se transmite a través de un circuito. Los circuitos lineales reales sobre una placa deben modelarse, como mínimo, como circuitos RLC, incluso si no contienen ningún condensador ni inductor específicos.
¿Por qué debería funcionar un circuito en un diseño de PCB como un circuito RLC? Esto es así porque los conductores adyacentes están separados por un sustrato aislante, que crea cierta capacitancia parásita. El comportamiento inductivo surge porque la ruta que sigue la corriente forma un bucle cerrado, y el sustrato tiene cierta permeabilidad magnética, por tanto parece que cada circuito posee algo de inductancia parásita. Estos elementos parásitos y la resistencia natural de la CC de los conductores contribuyen a la impedancia que experimentan las señales al pasar por tu placa. Cuando a esto se une la geometría de las pistas y los planos, todo el conjunto determina la ruta seguida por las señales para retornar a la fuente de alimentación.
Cómo afecta la frecuencia de la señal a la ruta de la corriente de retorno en una PCB
Para hacerse una idea de cómo se crea la ruta de la corriente de retorno en una PCB, primero veremos lo que ocurre con la CC en un sencillo ejemplo. La parte superior del siguiente ejemplo de diseño muestra las pistas en la capa de superficie de una PCB que llevan a un CI. La mitad inferior de la figura más abajo muestra el plano de tierra interior en la segunda capa. Los dos conductores están separados por el sustrato aislante, que proporciona capacitancia entre ambas capas. Ten en cuenta que los símbolos de capacitador que se muestran a continuación no indican la presencia de capacitadores específicos; considéralos parte de un modelo de circuito localizado. (Nota: ese es el verdadero motivo por el que cada pista en una PCB es en realidad una línea de transmisión; más información sobre este tema en un próximo artículo).
Una CC originada en la capa superior (en el punto +5 V) se transmite directamente por la pista, que tiene la ruta de menor resistencia. Después de que la corriente salga del CI, se introducirá en la capa interior a través de una vía y se transmitirá por el plano de tierra; a continuación retornará al punto de suministro en la capa de superficie a través de otra vía. La corriente CC experimenta reactancia infinita (por tanto impedancia infinita) entre la capa de superficie y el plano de tierra, lo que significa que la corriente no pasa directamente al sustrato a través de la capacitancia acumulada. En cuanto la corriente entra en el plano de tierra, sigue la ruta de menor resistencia de vuelta a la vía GND. Ten en cuenta que la ruta de menor resistencia resulta ser la distancia más corta (la línea recta en amarillo) entre las dos vías.
Con cualquier señal que varíe en el tiempo (tanto pulsación como señal analógica o digital), la situación es distinta. Puesto que el voltaje y la corriente cambian con el tiempo, la señal puede inducir una corriente de desplazamiento a través de la capacitancia acumulada en el sustrato, que a continuación se transmitirá a través del plano de tierra. Esto quiere decir que la corriente de retorno se genera en el plano de tierra por debajo de la pista. La resistencia no cambia con la frecuencia, pero la reactancia facilitada por la capacitancia del sustrato depende de la frecuencia. La corriente suele concentrarse por debajo de la pista de la señal, que se corresponde con la ruta de menor reactancia.
Ten en cuenta que las líneas amarillas que se muestran en la vista superior se han desviado ligeramente de la pista del circuito para mayor claridad, pero esperamos que se pueda ver bien la marcada diferencia entre estas dos situaciones. Obviamente todo se complica más cuando existen varias capas de pistas, componentes y planos en una PCB. En realidad, la corriente de retorno tendrá aproximadamente una distribución gaussiana por debajo de la pista a altas frecuencias (~MHz y superiores). A frecuencias moderadas (decenas de kHz), seguirá existiendo cierta corriente que siga la ruta de retorno de la CC. Echa un vistazo a este artículo de Bruce Archambeault (Figs. 3-5) para hacerte una idea de lo que ocurre a frecuencias moderadas.
¿Qué ocurre con las rutas de las corrientes de retorno de señal mixta?
Con las placas de señal mixta, controlar las rutas de la corriente de retorno es aún más crítico, ya que debes tratar de evitar que las señales digitales creen una corriente en las secciones analógicas de la placa. Dividir el diseño en secciones analógicas y digitales contribuye en gran medida a la reducción de la diafonía de señal mixta. No obstante, deberías seguir esforzándote para determinar la ruta de la corriente de retorno en el diseño de tu PCB a fin de evitar que cada tipo de señal distinta interfiera accidentalmente con componentes sensibles. Francesco Poderico ofrece un tutorial excelente para aprender a identificar las rutas de retorno en placas de señal mixta en un artículo reciente.
Si eres experto en el análisis de tu diseño, es probable que no necesites ejecutar simulaciones solamente para identificar las rutas de retorno. Sin embargo, las herramientas de simulación y los solucionadores de campo 2D/3D siguen ofreciendo un valor real y pueden utilizarse para verificar muchas de tus opciones de diseño y la funcionalidad de los distintos circuitos de tu placa.
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