¿Por qué un plano de tierra fragmentado no es tan efectivo como uno intacto?

Piense en las corrientes de alta frecuencia que atraviesan el plano de tierra.

A bajas frecuencias, la corriente sigue el camino de menor resistencia (literalmente). Una isla en el plano de tierra no es un gran problema en términos de resistencia. Todavía hay mucho cobre a ambos lados de la isla para que la corriente pueda fluir a su alrededor con poca caída de voltaje.

Sin embargo, las cosas se ven diferentes a altas frecuencias. Las corrientes de retorno de alta frecuencia en el plano de tierra tienden a seguir el mismo camino que las corrientes directas en las otras capas. Esta es una propiedad útil ya que minimiza el área total del bucle de corriente y, por lo tanto, irradia menos y el bucle también es menos susceptible a la radiación entrante. Las islas en el plano de tierra obligan a las corrientes a rodearlas, lo que puede aumentar significativamente el área de bucle de las corrientes de alta frecuencia. Mirando esto de otra manera, puede pensar en los conductores en la capa superior como formando una línea de transmisión con el plano de tierra. La isla rompe esta línea de transmisión, lo que aumenta la impedancia, lo que aumenta la caída de voltaje en el plano de tierra.

Otro efecto es algo conocido como "antena de ranura". Este es el inverso de un dipolo, pero se comporta como un dipolo para irradiar y recibir. Si tiene corriente de alta frecuencia a lo largo de una hoja conductora y luego corta una ranura en esa hoja perpendicular al flujo de corriente, tiene una antena de ranura. Esta es una de las razones por las que los orificios de flujo de aire en el chasis de metal suelen ser un montón de orificios, no ranuras ni aberturas grandes únicas.

En un tablero de dos capas, generalmente tiene que enrutar algunas de las señales a la capa inferior. Pero desea dejar la capa inferior como un plano de tierra en la medida de lo posible. Del análisis anterior, puede ver que más islas pequeñas es mejor que pocas grandes. La métrica por la que desea esforzarse es minimizar la dimensión máxima de cualquier isla.

Uso Eagle y su enrutador automático a menudo para tales cosas. En las primeras pasadas de enrutamiento establecí los costos solo para encontrar una solución de enrutamiento. En pases posteriores, asumo que se ha encontrado una solución y ahora debe optimizarse para minimizar el daño al plano de tierra. Para conseguir eso, configuré el costo de la capa del plano de tierra alto y el costo de la vía más bajo. Eso da como resultado "puentes" más cortos en la capa del plano de tierra en lugar de rastros largos. Desafortunadamente, Eagle todavía tiende a agrupar estos puentes, incluso con el parámetro de abrazo establecido en 0. Después de la ruta automática final, limpio un poco manualmente el plano de tierra. Por lo general, esto no cambia la topología, sino que principalmente separa los puentes individuales entre sí para que fluya cobre entre ellos.

Aquí está el dibujo de la capa inferior de dicho tablero:

Esto muestra la capa inferior de nuestro programador USBProg PIC . Un circuito de esa complejidad no se puede enrutar en una sola capa, pero tenga en cuenta que hay muchas islas pequeñas individuales en lugar de pistas largas o grandes grupos de puentes en la capa inferior. En su mayor parte, las corrientes de retorno de alta frecuencia aún pueden fluir sin desviarse demasiado de sus caminos ideales.