En el diseño y la ingeniería inversa de productos electrónicos, el diseño del layout de la placa de circuito impreso (PCB) es un paso importante, ya que afecta directamente al rendimiento del circuito. Crear un layout de PCB eficaz es una tarea difícil, especialmente si no se tiene suficiente experiencia en este campo. En esta publicación, podrá conocer nuestras directrices de diseño de PCB para seguir todas las mejores prácticas y normas.
¿Cuál es el diseño ideal para una placa de circuito impreso?
¿Cuál es exactamente el diseño ideal para una placa de circuito impreso? Bueno, no se trata de un diseño fijo, sino de un proceso en constante evolución. Cada diseño de circuito es diferente, al igual que su disposición. Sin embargo, hay ciertos aspectos que todos los diseños exitosos tienen en común. Veamos algunos de ellos.
– Ancho y longitud de las pistas: si desea que su circuito funcione correctamente, debe asegurarse de que las pistas tengan el ancho y la longitud adecuados. Esto significa que también debe decidir dónde colocarlas. El ancho es fundamental para la integridad de la señal digital. Cuanto menor sea el ancho, menos probable será que capte ruido e interferencias.
– Colocación de la tierra: la colocación de la tierra en el diseño del circuito es fundamental. En primer lugar, asegúrese de que dispone de suficientes conexiones a tierra. A continuación, asegúrese de que todas ellas estén conectadas y a la tierra analógica común.
– Colocación de la señal: la colocación de las señales en su diseño también es extremadamente importante. Asegúrese de que las señales se enrutan en una dirección «de dentro hacia fuera». Esto significa que debe comenzar con las señales más importantes y continuar con las menos importantes. Si utiliza un gráfico jerárquico para el diseño, esto será mucho más fácil.
– Distribución de energía: la distribución de energía también es importante. Debe asegurarse de que todas las áreas de alta potencia y alta corriente tengan una conexión a tierra. Esto incluye los circuitos de alimentación, así como las trazas de alta corriente.
#1 Seleccionar la estrategia de diseño antes del diseño
Antes de comenzar con el diseño, debe decidir cuál será su estrategia de diseño. Esto incluye aspectos como el número de capas, el ancho de las pistas y la cantidad de cobre que utilizará. Para ello, debe tener una idea clara de lo que hace el circuito y de lo que necesita que haga. Además, también debe conocer las limitaciones del proceso de fabricación de PCB. A continuación se presentan algunas estrategias diferentes que puede utilizar en el diseño de su placa de circuito:
– Enrutamiento estándar: el enrutamiento estándar es la estrategia de diseño más común. Se utiliza cuando no hay requisitos especiales para la placa de circuito.
– Microenrutamiento: si necesita trazas muy pequeñas y conexiones muy cortas, le conviene utilizar el microenrutamiento.
– Enrutamiento en árbol: si necesita un gran número de conexiones que deben distribuirse de manera eficiente, le conviene utilizar el enrutamiento en árbol. El enrutamiento en árbol se utiliza comúnmente en placas de alta gama con un gran número de señales.
#2 Establecer las estrategias de huella
Una vez que haya decidido su estrategia de diseño, debe establecer las estrategias de huella para su placa. Debe decidir dónde va a colocar los componentes en la placa. Debe crear una huella para cada componente y colocarlos en la placa de forma lógica. Esto incluye asegurarse de que los componentes se coloquen cerca de las conexiones. No es conveniente crear un diseño que requiera que la placa de circuito se coloque en una posición específica. Esto dificultará el montaje y el uso del producto.
#3 Reglas para la colocación de componentes en placas de circuito impreso (PCB)
1. Dispositivo de protección de interfaz
El dispositivo de protección de la interfaz debe colocarse lo más cerca posible de la interfaz. Además, los requisitos de colocación de los diferentes componentes son los siguientes:
El orden general de los dispositivos de protección contra rayos de los circuitos de alimentación es: varistores, fusibles, diodos supresores, filtros EMI, inductores o inductores de modo común.
Por lo general, el orden de los dispositivos de protección para las señales de interfaz es: ESD (tubo TVS), transformador de aislamiento, inductor de modo común, condensador y resistencia.
2. Espaciado entre componentes
Espaciado mínimo recomendado entre componentes:
- La separación entre los bordes de las almohadillas de los componentes RC pequeños es >0,3~0,7 mm;
- Entre otros componentes de chip, entre SOT, entre SOIC y componentes de chip es de 1 ~ 1,25 mm;
- Entre SOIC y entre SOIC y QFP es de 1,5-2,0 mm;
- La distancia entre PLCC y componentes de chip, entre SOIC y QFP es de 2-2,5 mm;
- 3-4 mm entre PLCC.
- La distancia entre el exterior de la almohadilla del componente enchufable y el exterior de la almohadilla del componente chip es superior a 1,5-2 mm.
- El espacio entre los bordes de las almohadillas entre los componentes enchufables que se han soldado por ola es superior a 1-2 mm.
- La distancia entre el BGA y los componentes adyacentes es superior a 3-5 mm.
3. Dispositivos susceptibles de sufrir interferencias
Los dispositivos susceptibles a interferencias ESD, como los dispositivos NMOS y CMOS, deben mantenerse lo más alejados posible de las zonas susceptibles a interferencias ESD (como el borde de una placa única).
4. Diseño del dispositivo del reloj
- Los cristales, osciladores de cristal y distribuidores de reloj deben estar lo más cerca posible de los dispositivos IC relacionados.
- El filtro del circuito de reloj (intente utilizar el filtro de tipo «∏») debe estar cerca del pin de entrada de las líneas de alimentación del circuito de reloj.
- Si la salida del oscilador de cristal y el distribuidor de reloj está conectada en serie con una resistencia de 22 ohmios.
- Si los pines de salida no utilizados del distribuidor de reloj están conectados a tierra a través de resistencias.
- La disposición de los cristales, osciladores de cristal y distribuidores de reloj debe mantenerse alejada de componentes de alta potencia, disipadores de calor y otros dispositivos que generen calor.
- Si el oscilador de cristal está a más de 1 pulgada del borde de la placa y del dispositivo de interfaz.
5. Condensadores y filtros
- El condensador debe colocarse cerca del pin de alimentación, y cuanto menor sea la capacitancia, más cerca del pin de alimentación;
- El filtro EMI debe estar cerca del puerto de entrada de la fuente de alimentación del chip.
- En principio, cada pin de alimentación tiene un pequeño condensador de 0,1 uf y uno o más condensadores grandes de 10 uf para un circuito integrado, que pueden aumentarse o reducirse según la situación específica.
#4 Reglas de enrutamiento de PCB
Las reglas de enrutamiento de PCB son las directrices que utilizan los diseñadores para determinar la ubicación y el enrutamiento de las pistas en una placa de circuito impreso. Estas reglas ayudan a garantizar que la PCB terminada funcione correctamente y cumpla con todas las especificaciones eléctricas requeridas. Existen diversas reglas de enrutamiento que se pueden utilizar, y las reglas específicas que se sigan dependerán del diseño concreto y de los requisitos del proyecto.
1. Conexión de traza, señal y alimentación
Hay algunas cosas clave que hay que tener en cuenta al trazar PCB:
– Asegúrese de que el ancho de las pistas sea adecuado para la corriente que transportarán. Unas pistas demasiado estrechas provocarán un calor excesivo y posibles fallos; unas pistas demasiado anchas serán innecesariamente caras.
– Tenga en cuenta los diferentes tipos de planos de cobre y cómo pueden utilizarse en su beneficio. Los planos de alimentación y tierra, por ejemplo, pueden ser muy útiles para reducir al mínimo el ruido y la diafonía.
– Asegúrese de tener en cuenta los diferentes requisitos de impedancia de las señales digitales y analógicas. Las señales digitales deben enrutarse con trazas de baja impedancia para minimizar los reflejos y la diafonía, mientras que las señales analógicas pueden enrutarse con trazas más gruesas y de mayor impedancia.
– Preste atención al espacio entre las pistas, especialmente cuando se encaminan señales de alta velocidad. El espacio entre las pistas afecta a la capacitancia de las mismas, lo que a su vez afecta a la integridad de la señal.
– Considere la posibilidad de utilizar vías para encaminar las señales entre las diferentes capas de la PCB. Esto puede ser útil para minimizar la longitud de las trazas y reducir la diafonía.
– Asegúrese de que haya un espacio libre adecuado alrededor de los pines de alimentación y tierra. Estas áreas pueden ser susceptibles a problemas térmicos y de arco eléctrico, por lo que es importante mantenerlas despejadas.
Si sigue estas sencillas pautas, se asegurará de que sus PCB estén correctamente encaminadas y funcionen según lo previsto.
2. Conexión Kelvin
Las conexiones Kelvin, también conocidas como conexiones de fuerza y sentido, son una forma conveniente de eliminar los efectos de las caídas de tensión en los cables de los circuitos.
Aunque en un esquema puede parecer lo mismo colocar la conexión en una almohadilla resistora o en algún punto arbitrario, la traza real tiene inductancia y resistencia y puede hacer que sus mediciones fallen si no utiliza una conexión Kelvin.
#5 Problema de calefacción
1. Diseño térmico
Hay tres aspectos principales del calor en las PCB:
- disipación del calor a través de las placas de los componentes;
- el calor de la propia PCB;
- el calor procedente de otras partes.
Colocar cobre adicional alrededor de los componentes montados en superficie proporciona una superficie adicional para disipar el calor de manera más eficiente. Algunas hojas de datos de componentes (especialmente diodos de potencia y MOSFET de potencia o reguladores de voltaje) incluyen directrices para utilizar la superficie de la PCB como disipador de calor.
2. Vías térmicas y alivio térmico
Las vías se pueden utilizar para transferir calor de un lado de la PCB al otro. Esto resulta especialmente útil cuando la PCB está montada en un disipador térmico en un chasis que puede disipar aún más el calor. Las vías grandes transfieren el calor de forma más eficiente que las pequeñas. Muchas vías transfieren el calor de forma más eficiente que una sola vía y reducen la temperatura de funcionamiento del componente. Las temperaturas de funcionamiento más bajas ayudan a mejorar la fiabilidad.
El alivio térmico reduce el tamaño de las conexiones entre las pistas o los rellenos y los pines de los componentes para facilitar el proceso de soldadura por ola. Esta pequeña conexión es corta para reducir el efecto sobre la resistencia. Si no se utilizan disipadores térmicos en los pines de los componentes, estos pueden enfriarse más, ya que hay mejores conexiones térmicas con las pistas o los rellenos que pueden disipar el calor, pero será más difícil soldar y desoldar.
#6 Verifique su diseño según las reglas de diseño
Una vez finalizado el diseño de la placa de circuito impreso, es importante realizar una comprobación de las normas eléctricas (ERC) y una comprobación de las normas de diseño (DRC) para verificar que se han cumplido todas las restricciones establecidas. Estas comprobaciones facilitan la especificación de los anchos de separación, los anchos de traza, los requisitos de fabricación comunes, los requisitos eléctricos de alta velocidad y otros requisitos físicos para su aplicación concreta.
La comprobación DRC es el programa del software EDA que se encarga de comprobar que el diseño cumple las normas definidas en el software. Es la última oportunidad para detectar problemas de diseño antes de que comience el proceso de fabricación.
Errores que se deben evitar en el diseño de placas de circuito impreso (PCB)
Hay muchos errores comunes que la gente comete en las directrices de diseño de PCB. Sin embargo, si los evita, tendrá muchas más posibilidades de crear un diseño que siga los estándares del sector, sea fácil de montar y tenga pocas posibilidades de fallar. Echemos un vistazo a los errores más comunes que se cometen al diseñar un PCB.
– Trazas cruzadas: uno de los mayores errores que se cometen al diseñar un diseño de PCB es cruzar las trazas. Debe evitarlo a toda costa. Si crea una traza que cruza otra traza, provocará un cortocircuito.
– Trazas excesivamente largas: también debe evitar crear trazas mucho más largas de lo necesario. Esto hará que su diseño sea menos eficiente y puede causar problemas si la traza es demasiado larga.
– Trazas cortas y distribuidas: otro error que se comete es crear un gran número de trazas cortas conectadas entre sí de forma que se crea una «isla». Esto es ineficaz y puede causar problemas.
– Falta de colocación de tierra: también debe asegurarse de que tiene una colocación de tierra adecuada en su diseño. Esto incluye asegurarse de que todas las redes estén conectadas al plano de tierra.
– Demasiados planos de alimentación: otro error común es crear demasiados planos de alimentación. Esto es especialmente habitual en diseños de gama alta. Sin embargo, un mayor número de planos de alimentación aumentará el coste y la complejidad.
Herramientas para diseño de PCB
Como puede ver, crear un diseño de PCB satisfactorio es una tarea compleja. Debe tener en cuenta muchos factores diferentes y saber cómo resolver muchos tipos de problemas distintos. También necesitará algunas herramientas que le ayuden. Estas son algunas de las más importantes.
– Esquema: el esquema de su circuito determina el aspecto que tendrá el diseño de su PCB. Si el esquema es incorrecto, el diseño de la PCB también lo será. Debe tener cuidado al crear el esquema. Cuanto más complicado sea el circuito, más difícil será crear un esquema correcto.
– Sistema CAD: es un proceso para diseñar placas de circuito impreso. El contorno de una placa de circuito impreso se diseña según los requisitos. Se utilizan varios símbolos para representar los diferentes componentes de la placa. A continuación, el contorno de la placa se convierte en un archivo de fabricación asistida por ordenador (CAM). El software de diseño asistido por ordenador (CAD) que se utiliza para este fin tiene la capacidad de importar y exportar archivos CAM.
Conclusión
Crear un diseño eficaz para una placa de circuito impreso es una tarea complicada y difícil. Si no se tiene cuidado, se pueden cometer muchos errores y perder mucho tiempo. Sin embargo, siguiendo estas directrices para el diseño de PCB, se puede crear un diseño sólido. Uno que sea fácil de montar y tenga pocas posibilidades de fallar.
Preguntas frecuentes
- Adaptación de impedancia de las líneas de señal;
- Aislamiento espacial de otras líneas de señal;
- Para señales digitales de alta frecuencia, las líneas diferenciales funcionan mejor.
No, los condensadores de desacoplamiento deben añadirse con los valores adecuados en las ubicaciones adecuadas. Y es necesario utilizar diferentes valores de capacitancia para filtrar las señales espurias de diferentes frecuencias.
Las vías ciegas pueden aumentar la densidad de las placas multicapa, reducir el número de capas y el tamaño de la placa, y reducir considerablemente el número de orificios metalizados.
Sin embargo, en comparación, los orificios pasantes son fáciles de implementar en términos de tecnología y tienen un coste menor, por lo que generalmente se utilizan en los diseños.
Los circuitos analógicos y los circuitos digitales deben colocarse en áreas separadas para que no se afecten entre sí.
Al diseñar una placa multicapa, asegúrese de que no haya planos de tierra o de alimentación flotantes, ya que los planos de alimentación y tierra se encuentran en la capa interna.
Además, asegúrese de que las vías perforadas en la tierra estén realmente conectadas al plano de tierra, de modo que se puedan añadir algunos puntos de prueba para algunas señales importantes, lo que resulta conveniente para la medición durante la depuración.
