Conectores: qué pasa cuando la señal sale de la tarjeta

Todo lo anterior daba por hecho que la corriente se queda en la tarjeta. En un conector no se queda. La señal sale por un pin, recorre un cable y tiene que volver por otro pin, y la geometría que habías controlado durante todo el recorrido la deciden ahora un pinout y un manojo de hilos.

Los conectores son donde se tuercen las tarjetas bien planteadas, porque el camino de retorno se acaba en el borde si nadie lo continúa a propósito.

Respuesta rápida. Un conector interrumpe el plano de referencia y obliga a la corriente de retorno a pasar por pines concretos. El lazo entre un pin de señal y su pin de retorno más cercano, prolongado por el cable, fija el área de lazo de todo lo que sale de la tarjeta. Pines de retorno repartidos junto a sus señales mantienen ese lazo pequeño. Un único pin de masa en una esquina crea un lazo grande compartido por todas las señales, que es a la vez un camino de acoplamiento y la alimentación de una antena.

El plano se acaba aquí

La huella de un conector es una fila de agujeros o pads, cada uno con su despeje en todos los planos que atraviesa. Una tira de 20 vías perfora veinte despejes en línea, y el resultado es una ranura, como contaba la lección 1.

Esa ranura está justo donde van las señales rápidas, porque van al conector. Así que el primer problema de un conector está en la tarjeta, antes de que ninguna corriente llegue a un pin: la referencia bajo la aproximación al conector la debilita la propia huella.

Lo que ayuda:

• Coser las capas de plano con vías cerca de la huella, a ambos lados, para

que el plano siga siendo un conductor único alrededor de la interrupción.

• Llegar al conector por la dirección con el cobre más continuo, en lugar de

cruzando la fila de antipads.

• Cuando el conector está en un borde, mantener el plano continuo hasta la

huella en vez de retirarlo por un despeje que no hace falta.

La asignación de pines es geometría de lazo

Una vez que la corriente llega a los pines, el pinout decide el lazo.

Coge un conector de diez pines con nueve señales y un pin de masa en un extremo. El retorno de cada señal tiene que llegar a ese único pin. El lazo de la señal del extremo opuesto encierra el ancho entero del conector más la longitud del cable. Todas las señales comparten ese pin de retorno y por tanto comparten su impedancia, así que además se acoplan entre sí a través de él.

Coge ahora el mismo conector con señales y retornos alternados. El retorno de cada señal está en el pin de al lado. El lazo mide un paso de pin. El mismo cable, la misma tarjeta, varias veces menos área encerrada y sin impedancia de retorno compartida entre señales lejanas.

La literatura de medida respalda la intuición. El trabajo de Missouri S&T sobre EMI en conectores examinó el número y la disposición de los pines de masa y encontró que las emisiones dependen de ellos, y describe que en conectores de campo de pines abierto las emisiones cambian de forma inversa al número de pines de masa y alimentación. El mecanismo que describen es el de arriba: la corriente de retorno a través de la impedancia de transferencia del conector desarrolla una pequeña tensión entre las dos masas, y esa tensión excita como antena las estructuras conectadas.

Así que la pregunta de diseño para un pinout no es «cuántos pines de masa son suficientes» en abstracto. Es «dónde está el retorno de esta señal en concreto, y qué tamaño de lazo sale de ahí».

Reglas prácticas de pinout

• Dale a cada señal rápida un retorno adyacente. No un retorno en alguna

parte del conector. El pin de al lado.

• Reparte las masas en vez de agruparlas. Cuatro pines de masa repartidos

por el conector valen más que cuatro juntos en un extremo.

• En pares diferenciales, mantén el par adyacente y dale una masa vecina,

para que el acoplamiento del propio par haga el trabajo y la masa se ocupe de la parte de modo común.

• Separa señales ruidosas y sensibles dentro del conector, con retornos

entre medias, por el mismo motivo de impedancia común que en cualquier otro sitio.

• Mira qué hace el cable que se enchufa. Un pinout alternado precioso

conectado a una cinta donde todas las masas se juntan en el otro extremo ha perdido la mitad del beneficio.

Cables y corriente de modo común

Dentro de la tarjeta, señal y retorno están a unas décimas de milímetro. En un cable pueden estar a unos milímetros, y en un manojo de hilos sueltos pueden estar en cualquier sitio.

La corriente diferencial, igual y opuesta en señal y retorno, radia poco cuando los dos conductores van juntos. La que da problemas es la corriente de modo común: corriente que circula en el mismo sentido por todos los conductores y vuelve por otro camino cualquiera, a menudo por el chasis o por capacidades parásitas con el entorno.

La corriente de modo común en un cable radia con eficacia, porque el cable es largo y no hay un retorno cercano que la cancele. Una corriente de modo común pequeña en un cable largo puede dominar las emisiones de un producto aunque dentro de la tarjeta todo esté ordenado.

¿De dónde sale? Sobre todo de una diferencia de tensión entre la referencia de la tarjeta y el extremo lejano del cable, que es justo el desplazamiento de masa que produce la impedancia de retorno del conector. Reduce ese desplazamiento y reduces la excitación.

De ahí sale un orden de ataque claro, de la causa al síntoma:

1. Mantener el camino de retorno apretado a través del conector, con pines de

retorno adyacentes, para que se desarrolle menos tensión de entrada.

1. Mantener el plano continuo y cosido alrededor del conector.
2. Usar conductores trenzados o emparejados en el cable para que el lazo

diferencial siga siendo pequeño fuera de la tarjeta.

1. Si hay pantalla, terminarla como es debido en el conector y no por un

trozo de hilo hasta un pin. Una pantalla conectada por una coleta corta deja de ser una pantalla a las frecuencias en las que la necesitas.

1. Sólo entonces recurrir a un choque de modo común o a una ferrita en el

cable. Funcionan, y están tratando el síntoma.

Conexiones con el chasis

Cuando un producto tiene envolvente metálica, la relación entre la referencia de la tarjeta y el chasis afecta a las emisiones por cable, porque el chasis forma parte de la estructura por la que circula la corriente de modo común.

Esto se vuelve específico del producto, de la envolvente y del contexto normativo enseguida, y se solapa con requisitos de seguridad en cuanto aparecen la red eléctrica o la puesta a tierra de protección. Eso queda fuera del alcance de este curso. La afirmación acotada que sí es segura: la conexión entre la referencia de la tarjeta y el chasis, y su posición respecto a la entrada del cable, es una decisión de diseño con consecuencias de EMC, y hay que tomarla a propósito y verificarla en vez de heredarla de un plano mecánico.

Cuando intervienen puesta a tierra de protección, aislamiento o distancias de líneas de fuga y aire, manda la norma de seguridad aplicable, y nada de un curso de layout está por encima de ella.

Antes de cerrar un pinout

Un pinout es de las cosas más difíciles de cambiar después, porque se propaga a los cableados, a las tarjetas que se enchufan y a la documentación. Merece veinte minutos antes de congelarlo:

• Para cada señal rápida, ¿cuál es su pin de retorno y a qué distancia está?
• ¿Hay algún pin haciendo de retorno de muchas señales?
• ¿Sigue el plano continuo hasta la huella y a su alrededor?
• ¿Qué hace el cable con estos pines en el otro extremo?
• Si hay pantalla, ¿cómo se termina, físicamente?

Lo que viene después

La lección 10 recoge el curso entero en una revisión que puedes pasar a un layout terminado, en tu editor, antes de mandar los ficheros al fabricante.

Fuentes y lecturas recomendadas

• Missouri S&T: características de EMI en conectores entre tarjetas — número y disposición de pines de masa, asignación de pines de señal y emisiones medidas.
• Howard Johnson: medir conectores — impedancia de transferencia de masa, desplazamiento de masa y por qué excita estructuras radiantes.
• In Compliance Magazine: masas y retornos — conductores de retorno, área de lazo a nivel de sistema y el retorno como camino de emisión.
• Clemson Vehicular Electronics Laboratory: EMI de estructuras de tarjeta y cable — excitación de estructuras conectadas por la impedancia del retorno.