Diseño de la conexión a tierra de PCB: tipos, consejos y mejores prácticas

La conexión a tierra de PCB es un tema que Diseño de PCB Los ingenieros siempre se preocupan por ciertos aspectos. Por ejemplo, ¿cómo se debe planificar un sistema de puesta a tierra eficaz en una placa? ¿Deben cablearse por separado las tomas de tierra analógicas, digitales y de alimentación, o deben conectarse en un único punto? ¿Cómo se pueden eliminar los bucles de tierra en una placa de circuito impreso?

Hoy hablaremos principalmente sobre el diseño de la conexión a tierra de las placas de circuito impreso, consejos para la conexión a tierra de las placas de circuito impreso y el tratamiento de la conexión a tierra de las placas de circuito impreso.

1. ¿Qué es la conexión a tierra?

Esta pregunta puede parecer sencilla, pero existen diferencias claras entre los distintos tipos de conexión a tierra. La conexión a tierra eléctrica es un camino conductor que actúa como vía de retorno común para la corriente de diferentes dispositivos. Generalmente se la denomina nodo de 0 V. Todos los demás voltajes del sistema se miden con respecto a este nodo.

Aquí hay varios nodos de conexión a tierra comunes:

1) Terreno flotante

La conexión a tierra flotante se produce cuando un sistema carece de una conexión a tierra fiable. En este caso, la tensión en el terminal de tierra y en los conductores no es constante. Una conexión a tierra flotante no intencionada suele considerarse un fallo del sistema, lo que implica la posible existencia de un circuito abierto en el sistema de puesta a tierra. Sin embargo, en algunas aplicaciones, la conexión a tierra flotante se utiliza de forma deliberada.

En las fuentes de alimentación de baja tensión y los instrumentos de prueba, se utiliza un transformador de aislamiento para separar la toma de tierra de baja tensión del sistema de puesta a tierra principal y así mejorar la seguridad. Al dejar el lado de baja tensión sin conexión a tierra, se evita que la corriente de tierra provenga de la fuente de alimentación principal. Si se produce un fallo en el lado de baja tensión, esto proporciona protección eléctrica.

Suelo flotante

2) Suelo terrestre

Esta es la conexión física a tierra. Actúa como un punto de retorno seguro para el exceso de corriente.

3) Masa del chasis (masa de seguridad)

La conexión a tierra del chasis, o conexión a tierra de seguridad, es la conexión del cable de seguridad desde la fuente de alimentación de CA a la carcasa o chasis del producto. La conexión a tierra y la conexión a tierra del chasis tienen la misma función, y el término "conexión a tierra de seguridad" se suele utilizar indistintamente.

Para la conexión a tierra de las placas de circuito impreso (PCB), no existe un método único que funcione en todos los casos. Para determinar la mejor manera de conectar a tierra un sistema, es necesario comprender cómo fluye la corriente en él. Aun así, existen muchos métodos entre los que elegir, así como algunas buenas prácticas que funcionan para la mayoría de los sistemas.

4) Tierra de señal

La tierra de señal es la referencia para cualquier señal analógica o digital utilizada en un circuito. Generalmente, coincide con la tierra de alimentación. Sin embargo, en algunos casos, las señales de un circuito utilizan una tierra aislada diferente para la corriente de retorno. Esto requiere la definición de una tierra independiente para la señal. La tierra de señal se encuentra en equipos sensibles e instrumentos de medición.

Símbolos típicos de puesta a tierra utilizados en esquemas

Cuando una placa se divide en partes analógicas y digitales, las tomas de tierra separadas suelen conectarse debajo o cerca de un dispositivo de señal mixta que posee conexiones de pistas analógicas y digitales. Al conectar las tomas de tierra analógicas y digitales debajo del dispositivo de señal mixta, la pista de señal mixta puede tener la menor longitud posible. Esto también reduce la posibilidad de interferir con otras señales analógicas o digitales cercanas al dispositivo.

Conexión a tierra independiente para tierra analógica y tierra de señal.

5) Terreno virtual

La tierra virtual es común en los circuitos con amplificadores operacionales. Un nodo de tierra virtual no está conectado directamente a la ruta de retorno de la corriente de tierra. En cambio, se mantiene al mismo potencial que la referencia de tierra. La tierra virtual se utiliza para analizar el funcionamiento de un amplificador operacional.

terreno virtual

Considerando el potencial de tierra virtual y suponiendo que el amplificador operacional no consume corriente, se puede obtener la siguiente relación.

Fórmula de terreno virtual

6) Tierra de CA

Un nodo de tierra de CA tiene un valor de CC de baja impedancia. Incluso ante una pequeña perturbación, este voltaje de CC se mantiene estable. Debido a su valor de CC, este nodo no puede utilizarse como tierra propiamente dicha. Sin embargo, gracias a su estabilidad, puede utilizarse como punto de referencia.

La conexión a tierra de CA es una forma estándar de suministrar energía a una placa que necesita alimentación de red y funciona con corriente media a alta.En la figura siguiente, introducimos corriente alterna monofásica de 3 hilos en el sistema y utilizamos un transformador para reducirla al nivel necesario para la placa de circuito.

La separación entre la tierra primaria (PGND) y la tierra secundaria (SGND) en la estructura de la placa de circuito impreso significa que ahora tenemos una fuente de alimentación aislada en la placa, junto con otras partes importantes que pueden ser componentes digitales de alta velocidad o componentes analógicos de precisión.

Conexión a tierra aislada en la etapa de potencia de entrada

7) Conexión a tierra del chasis

Un aspecto importante en los productos electrónicos es que no todos los sistemas cuentan con conexión a tierra del chasis o conexión a tierra de seguridad. Generalmente, la conexión a tierra del chasis se refiere al chasis metálico dentro de la carcasa, que está conectado a la misma.

En un sistema de CA de 3 hilos (fase, neutro y tierra) o en un sistema de CC de 3 hilos (CC+, común de CC y tierra), la conexión a tierra del chasis suele estar conectada a tierra en el punto de entrada de la alimentación. Un componente conectado al sistema también puede conectarse a la conexión a tierra del chasis para absorber ruido o por motivos de seguridad, como la protección ESD, tal como se muestra en el ejemplo siguiente. Esta configuración proporciona filtrado de ruido en modo común para la entrada de CA o CC en la conexión de 3 hilos.

En el esquema que se muestra a continuación, la conexión a tierra del chasis está conectada directamente a la placa de circuito impreso y tiene un contacto de tierra de baja inductancia con la carcasa. Tenga en cuenta que el pin 3 del conector es el cable de tierra.

Piso del chasis

La conexión a tierra del chasis cumple tres funciones:

Dado que el chasis ahora está configurado como una referencia global de 0 V, actúa como una jaula de Faraday y proporciona un blindaje de banda ancha.

Proporciona una función de seguridad que puede enviar corrientes parásitas, como descargas electrostáticas, corrientes de cortocircuito o ruido, de vuelta a tierra.

Puede proporcionar un sumidero de baja impedancia para el ruido de modo común en el filtro EMI en esta entrada, sin necesidad de perlas de ferrita ni grandes inductores en la placa.

8) Conexión a tierra múltiple

La conexión a tierra múltiple suele aparecer al cablear entre dos dispositivos, y el cable puede tener varias capas de blindaje conectadas a tierra en cada extremo.

Es necesario tener precaución, ya que puede existir una diferencia de potencial de CC entre las dos conexiones a tierra. En mediciones de laboratorio, esta diferencia puede ser de aproximadamente 10 V. Si se realiza un puente entre las conexiones a tierra, por ejemplo, utilizando el blindaje de un cable blindado, la diferencia de potencial de tierra puede provocar que circule una gran corriente continua a través del cable.

Conexión a tierra múltiple

2. No todas las tomas de tierra son de 0 V.

Un conductor flotante, o un conductor en un sistema que se conecta a una fuente de alimentación diferente, puede no tener el mismo potencial de 0 V. En otras palabras, dos dispositivos diferentes pueden tener un nodo de tierra, pero si se conectan a la misma referencia y se mide el potencial entre ellos, el resultado puede ser un voltaje distinto de cero.

En los sistemas de potencia, es importante prestar atención al uso de los condensadores para la puesta a tierra, de modo que la referencia de tierra se mantenga constante. Los condensadores de clase Y son la mejor opción. Es necesario eliminar el desplazamiento de CC entre planos, a la vez que se proporciona aislamiento de corriente y filtrado EMI de alta frecuencia.

Circuito de puesta a tierra de PCB

Cuando dos dispositivos utilizan el mismo conductor como conexión a tierra, puede darse la siguiente situación: si se mide la diferencia de potencial a lo largo de un conductor largo, por ejemplo, con un multímetro, es posible que no sea cero. Esto significa que circula corriente por el conductor. Este tipo de diferencia de potencial a lo largo de la tierra o entre dos conexiones a tierra se denomina desfase de tierra.

3. Conceptos básicos del diseño de la conexión a tierra de la placa de circuito impreso

Al diseñar la conexión a tierra de una placa de circuito impreso (PCB), el primer objetivo es controlar las rutas de retorno de la corriente. La conexión a tierra no es solo un símbolo en el esquema. En una placa real, la corriente siempre sigue un camino, y el camino de retorno es tan importante como el de avance.

Si la ruta de retorno es demasiado larga, estrecha o presenta muchos fallos, el ruido aumentará. Esto puede perjudicar la integridad de la señal, la integridad de la alimentación y el rendimiento de la compatibilidad electromagnética (CEM). Por ello, el sistema de tierra debe planificarse conjuntamente con el enrutamiento de la señal, el enrutamiento de la alimentación y la configuración de las capas.

En las placas de señales mixtas, los circuitos analógicos y digitales deben disponerse con cuidado. Un área analógica sensible no debe compartir las corrientes de retorno ruidosas de la conmutación digital rápida. Los circuitos de alimentación también deben tener su propia ruta de retorno despejada. El objetivo no es dividir la tierra en todos los casos, sino mantener las corrientes no deseadas alejadas de las áreas sensibles.

Un buen plano de tierra puede reducir la impedancia, disminuir el ruido y proporcionar una referencia estable para las señales. En muchos diseños de PCB, un plano de tierra completo es mejor que pistas de tierra delgadas, ya que proporciona una ruta de retorno más amplia y una menor inductancia. Esto es fundamental para señales de alta velocidad, circuitos de RF y fuentes de alimentación de conmutación rápida.

4. Consejos para la conexión a tierra de la placa de circuito impreso

En primer lugar, mantenga la ruta de retorno corta y directa. La corriente debe poder regresar por debajo de la ruta de la señal en la medida de lo posible. Esto ayuda a reducir el área del bucle, y un área de bucle menor significa menos ruido y menos interferencia electromagnética (EMI).

En segundo lugar, evite cortar demasiado el plano de tierra. Si el plano de tierra se interrumpe por muchas ranuras, cuellos estrechos o un mal trazado, la corriente de retorno se verá obligada a rodear obstáculos. Esto agranda el bucle y aumenta la interferencia.

En tercer lugar, utilice una estrategia de conexión a tierra clara para toda la placa. No combine diferentes ideas de conexión a tierra sin una razón justificada. Por ejemplo, si la conexión a tierra analógica y la digital están separadas, el punto de conexión debe planificarse cuidadosamente. La conexión debe realizarse donde facilite el flujo de corriente y el control del ruido, no donde genere un nuevo problema.

En cuarto lugar, preste atención a las señales de alta velocidad. Las señales rápidas necesitan un plano de referencia cercano. Si el plano de referencia cambia entre capas o se interrumpe, la corriente de retorno puede saltar a otra ruta y generar ruido. Esto también puede causar diafonía y distorsión de la señal.

En quinto lugar, mantenga los componentes ruidosos alejados de los componentes sensibles. Los reguladores de conmutación, los relojes y los buses digitales deben mantenerse alejados de los circuitos analógicos de bajo nivel, los circuitos de medición y los circuitos de referencia. Esto no es solo una cuestión de ubicación, sino también de conexión a tierra.

Sexto, utilice las vías de forma inteligente. Cuando una señal cambia de capa, la corriente de retorno también necesita una ruta. A veces, una vía de tierra cerca de la vía de señal puede facilitar el flujo de la corriente de retorno. Esto es común en diseños de alta velocidad.

Séptimo, aborde la protección contra descargas electrostáticas (ESD) y la interferencia electromagnética (EMI) desde el principio. No espere hasta el final del diseño. La conexión a tierra, el blindaje, la conexión al chasis y la ubicación de los filtros deben considerarse desde el inicio. Si se añaden demasiado tarde, la placa podría presentar ya una ruta de retorno deficiente.

5. Manejo de tierra de PCB

La gestión de la conexión a tierra en un circuito impreso no se trata solo de elegir un nombre para dicha conexión en el esquema, sino de cómo toda la placa utiliza esa conexión a tierra en su funcionamiento real.

Para placas analógicas de bajo ruido, un plano de tierra sólido suele ser la mejor opción. Para placas de señal mixta, puede ser necesario un aislamiento preciso y un punto de conexión planificado. En placas de potencia, la ruta de tierra de alta corriente debe ser corta y gruesa. Para placas de RF, la baja inductancia es fundamental, por lo que la estructura de tierra debe ser muy limpia.

Cuando hay un chasis, este puede ayudar con el control del ruido y la seguridad. Cuando hay conexión a tierra, puede ayudar con la corriente de falla y la protección. Cuando hay una sección flotante, pueden ser necesarios componentes de aislamiento como transformadores, optoacopladores o módulos CC-CC aislados.

En definitiva, el mejor método de conexión a tierra depende del sistema. No existe una solución única para todas las placas. La clave está en comprender la trayectoria de la corriente, la fuente de ruido, la zona sensible y el comportamiento de la corriente de retorno. Si se comprenden bien estos aspectos, el diseño de la conexión a tierra será mucho más estable y fiable.