Optimice la ruta de retorno de la señal con condensadores de desacoplamiento en una placa de dos capas

Estoy diseñando una placa de dos capas bastante compleja; realmente debería optar por una de 4 capas, pero ese no es el punto aquí. Terminé con la colocación y el enrutamiento de componentes y estoy haciendo los toques finales, como asegurarme de que los planos de tierra cubran la mayor parte del tablero y estén bien unidos (también conocido como rejilla de tierra).

En ciertas áreas, tengo trazas de señal (p. ej., SPI) dispuestas sobre un plano de tierra, luego una traza de alimentación (14 V) y luego otro plano de tierra. No hay forma de que pueda mover este rastro de energía fuera del camino, así que pensé que podría dejar que las corrientes de retorno de la señal lo atraviesen colocando algunos condensadores de desacoplamiento (100 nF) entre el rastro de energía y los planos de tierra, justo debajo de mis rastros de señal.

Aquí hay una imagen de lo que estoy pensando:

Señal sobre condensadores de desacoplamiento

¿Es esta una buena idea para reducir el área del bucle de señal y controlar la EMI?

No veo el sentido de toda esta complejidad y estoy seguro de que agregar condensadores aumenta el ruido del circuito. Las señales digitales que pasan por un trazado de alimentación no son críticas siempre que coloque condensadores de desacoplamiento junto a los dispositivos alimentados. Las señales digitales son flancos relativamente rápidos y no deberían afectar mucho la traza de potencia. La mayoría de los circuitos integrados también tienen un rechazo de ruido común en sus pines de fuente de alimentación, por lo que realmente no es gran cosa. Además, su trazo SPI es perpendicular al trazo de potencia, lo que significa que la diafonía será mínima.
No estoy tan preocupado por la integridad de la señal o el acoplamiento entre las trazas, este no es el punto de mi pregunta. La ruta de retorno de la señal es bastante larga y no está justo debajo de los rastros de la señal, que es lo que se recomienda generalmente. Recuerdo haber leído sobre la técnica que estoy tratando de aplicar en el caso de las señales USB y alguna nota de aplicación recomendaba usar capacitores para permitir que la corriente de retorno fluya lo más cerca posible de las señales en la otra capa.
Oh, estás preocupado por la ruta de retorno a tierra. Entendí mal la pregunta. No estoy seguro de eso, probablemente terminará agregando ruido al rastro de energía, ¿verdad?
Eso es lo que me pregunto yo también. Las corrientes involucradas son realmente pequeñas y el rastro de energía se filtra cerca de cada IC conectado a él (tapas de derivación), por lo que no estoy seguro de si será un problema.
Pero si lo hace de esta manera, ¿qué establecerá la referencia de CC a la tierra GND local? ¿Necesita otro rastro para la referencia de DC?
La referencia GND no es un problema, el rastro de energía entre ambos planos de tierra no los desconecta por completo entre sí.
El uso de 'condensadores de costura' (para dar el nombre habitual) depende de una serie de factores, pero principalmente de la tasa de borde. ¿Alguna de las señales en cuestión está impulsada por conductores de muy alta velocidad?
En el ejemplo anterior, estoy hablando de un bus SPI. Digamos que uso una velocidad de reloj de 10 MHz, por lo que el borde probablemente tenga un par de nanosegundos de ancho. Puedo bajar la velocidad de mi IO si es necesario.
¿Están estos SPI impulsando múltiples sumideros? ¿Qué tipo de terminación utilizan en estas líneas?
Hay varios dispositivos en ese bus SPI. Tengo resistencias de terminación de línea (100R) por los pines del microcontrolador.
@lucab Suponiendo que los niveles de señal CMOS y la terminación de la fuente, 100nF parecen apropiados y sin duda ayudarán. Si el controlador en el uC es configurable, configúrelo para reducir la fuerza del controlador. Un tablero de 4 capas es, con mucho, la mejor solución.
Gracias por el aporte. Puedo reducir la fuerza del controlador a una velocidad de respuesta de 500 ns. Podría optar por una solución de 4 capas al final.

Respuestas (1)

Tienes razón en tu entendimiento. La corriente de retorno de cualquier señal querrá seguir el mismo camino que la propia señal utilizando un plano de tierra o de alimentación adyacente. Si el plano de tierra se rompe, aún encontrará un camino de regreso a la fuente de la señal, pero por un camino más largo y menos óptimo que puede resultar en emisiones más altas y peor inmunidad. Si esto es un problema en su diseño depende de muchos factores, como la velocidad del reloj de las señales y, lo que es más importante, la velocidad de sus bordes.

Si cree que puede ser un problema (y presumiblemente lo es), entonces la mejor solución es usar un tablero de 4 o más capas para tener un plano de tierra continuo. Usando un tablero de 2 capas, puede agregar un enlace de cero ohmios 0805 o 1206 para unir los dos planos de tierra en el punto donde se rompen para proporcionar la ruta de retorno actual.

Ya me lo imaginaba. Podría optar por una placa de 4 capas en la próxima iteración de mi prototipo, pero a partir de ahora no es realmente una opción (y el cumplimiento de EMI aún no es un problema). La ranura creada por la traza de potencia es demasiado ancha para unirla con cero ohmios, de ahí mi solución de condensador. También encontré este documento que sugiere que la costura de condensadores no es óptima pero es viable para frecuencias (o velocidad de borde) inferiores a 100MHz.
Olvidé mencionar que el documento vinculado anteriormente conecta directamente dos planos de referencia, mientras que tendría que "enrutar" la corriente de retorno de la señal a través de un rastro intermedio.
No creo que su solución de capacitor cause problemas, simplemente no creo que sea tan buena como unir directamente los planos con 0R.
Optimice la ruta de retorno de la señal con condensadores de desacoplamiento en una placa de dos capas
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