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¿Cómo diseñar un PCB para principiantes? (2023)

Vistas: 588 Escrito por: Editor del sitio Hora de publicación: 2023-02-27 Origen: Planta

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Hoy en día, las placas de circuito impreso se asocian de manera indispensable a cualquier equipo electrónico. Probablemente la mayoría de las personas que son aficionados o están relacionadas profesionalmente con la industria integrada en algún momento están hartos de los cables enredados y, a menudo, de las conexiones problemáticas en las placas de prueba, por lo que decide diseñar su propia placa.

Aunque los PCB modernos están diseñados como multicapa debido a la búsqueda de la miniaturización y la necesidad de cumplir estándares estrictos, en el caso de los aficionados, los PCB con dos capas de cobre todavía están a la cabeza, y nos centraremos en ellos más adelante en este artículo. correo.

¿Por qué es importante el diseño fluido de la PCB?

En este punto, vale la pena señalar que si su estructura conectada a la placa de prueba funciona sin problemas, entonces probablemente las conexiones en ella sean transparentes para las señales del sistema.

En este caso, lo único de lo que debe preocuparse al preparar el diseño es preparar el esquema correctamente y enrutar las rutas para que no se quemen cuando ejecute el diseño por primera vez.

Sin embargo, si desea diseñar un sistema que cumpla con los requisitos de EMC, o simplemente desea aplicar una buena estructura de diseño, esta publicación es ideal para usted.

Resistencia y camino de retorno para las corrientes en el sistema.

He notado que los diseñadores novatos a menudo piensan que la resistencia eléctrica de las pistas es solo resistiva debido a su grosor y longitud. Esta afirmación es cierta, pero solo cuando el voltaje y la corriente que fluyen en ellos son constantes en el tiempo.

Para señales variables y, por tanto, también para señales digitales, debemos considerar los caminos en términos de su impedancia, que es el equivalente de la resistencia en los circuitos de CA.

Todo se puede resumir como un patrón: cómo diseñar un PCB en dos capas

El flujo de corriente en la placa de circuito impreso

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De las lecciones de física de la escuela, probablemente todos recordamos que la corriente siempre fluirá a lo largo del camino de menor resistencia. Esto se aplica tanto a la corriente que fluye hacia la carga como a la corriente de retorno. El hecho de que la corriente debe fluir en un circuito cerrado es obvio pero a menudo se olvida.

Y así como la mayoría de los diseñadores en ciernes ejecutan sus rutas de señal con gran cuidado y estética, pasan por alto darles una ruta de retorno sólida.

 Para CC que fluye en el plano de tierra, este será simplemente el camino de retorno geométricamente más corto. Las señales variables en la placa regresarán por el camino con la menor impedancia, y esto para frecuencias superiores a 100 kHz no siempre significará que será el camino más corto en el sentido geométrico.

Tomemos el siguiente ejemplo:

 Este será un circuito simplificado que contiene un microcontrolador que alimenta una señal de cambio rápido a la entrada del búfer. Ambos circuitos integrados se colocan en la capa superior del tablero, con una capa sólida del suelo debajo de ellos. Dos rutas de retorno están marcadas en la imagen a continuación, una para CC y otra para CA.

 En el caso de corriente continua, la carga que fluye desde la salida del microcontrolador fluye a través de la estructura de silicio del búfer, luego, a través de la vía, regresa al plano de tierra, donde regresa a la tierra de nuestro microcontrolador por el camino más corto posible.

Si bien el circuito opera a una frecuencia relativamente alta (los 100 kHz citados anteriormente son un límite algo arbitrario), la mayor parte de la corriente de retorno se encuentra directamente debajo de la ruta de la señal.

Condensadores sucesivos en el diseño de PCB

Los capacitores sucesivos en este circuito representan las capacitancias entre las secciones infinitamente cortas del camino y su plano de referencia. La inductancia es la inductancia de un material conductor en función de su geometría.

En la práctica, los valores de ambos elementos dependen del ancho del camino y de su distancia al plano de referencia. La resistencia simboliza la resistencia acumulada de la pista.

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Un frente de onda cuadrada que viaja en ese camino carga los condensadores sucesivos a lo largo de su camino, lo que lleva a una corriente de desplazamiento, o corriente que "fluye" a través del condensador.

Debido a que la corriente quiere fluir a lo largo del camino con la impedancia más baja, elegirá el camino donde el valor de estas capacitancias sea lo más grande posible, por lo que estará directamente debajo del camino.

Cualquier cambio en el valor de estas capacitancias o inductancias dará como resultado un cambio en la impedancia de nuestra señal y, en consecuencia, el deterioro de su calidad. Si la traza pasara por donde hay un hueco en el plano de tierra, introducimos automáticamente una discontinuidad de impedancia en su circuito, aumentando su inductancia y el área del bucle de corriente de retorno.

Ruta de señal y ruta de corriente de retorno aproximada

Esta es una situación completamente inaceptable, porque la ruta enrutada de esta manera, debido al bucle resultante, emitirá muchas más perturbaciones y será mucho más susceptible a las perturbaciones del exterior del sistema.

Me gustaría llamar su atención sobre el hecho de que la frecuencia de una señal digital no depende de su frecuencia de conmutación sino del tiempo de subida y bajada de los flancos de la señal.

¿Cómo diseñar correctamente una PCB en dos capas?

Por ejemplo, según la hoja de datos del microcontrolador Atmega328P, el tiempo de subida y bajada de las señales en la interfaz SPI suele ser de 3.6 ns. Esto significa que en un microcontrolador con frecuencia de 16 MHz, estamos ante un ancho de banda de aproximadamente 97 MHz.

Aunque los microcontroladores se alimentan de una fuente de voltaje CC, la corriente que consumen es pulsada.

Un bucle de corriente pulsada dibujada por el microcontrolador

Por lo tanto, se puede concluir que la corriente que circula por los caminos de alimentación es variable, por lo que el camino mismo de esta corriente debe ser considerado en términos de su impedancia, y no solo de resistencia. Teóricamente, es mejor si dicha ruta tiene una impedancia cercana a cero en todo el rango de frecuencia.

Proporcionar dicho camino es una de las principales tareas del diseñador al preparar el diseño del tablero. Recuerde que cualquier artefacto creado en nuestra red de suministro eléctrico también será visible en las señales del sistema.

La impedancia del condensador

La reactancia expresada de esta forma, y ​​por tanto la impedancia del condensador, tendería al infinito a medida que aumenta la frecuencia de la señal. Desafortunadamente, en el mundo real, todavía tenemos que dar cuenta de los componentes parásitos del capacitor que afectan su respuesta de frecuencia.

ESL es equivalente a la inductancia en serie y depende del tipo de cables de un condensador dado y de la longitud del camino en la placa entre su electrodo y el pin en el que se supone que debe filtrar el voltaje.

ESR es la resistencia en serie equivalente. Depende del tipo de dieléctrico del que está hecho el capacitor y de la frecuencia a la que opera. EPR es la resistencia que refleja la fuga de CC a través del capacitor y C es su capacitancia nominal.

En dicho modelo, podemos realizar una simulación para verificar cómo se ve su impedancia según la frecuencia de la señal.

Fluctuación de frecuencia en el diseño de PCB

Hasta la frecuencia de aprox. 5 MHz, el regulador de voltaje y los capacitores acumuladores de carga ubicados en la entrada y salida del regulador son los encargados de mantener la baja impedancia de la red.

Por encima de esta frecuencia, hasta frecuencias de varios cientos de MHz, son los condensadores de desacoplamiento ubicados en los pines de alimentación de los circuitos los que son responsables de proporcionar una ruta de baja impedancia para las corrientes.

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Por lo tanto, las inductancias resultantes de la longitud de los cables deben ser lo más pequeñas posible. En la práctica, todo se reduce a hacer que el capacitor esté lo más cerca posible del pin cuya fuente de alimentación se va a desacoplar. Lo mejor es utilizar componentes de superficie en la carcasa más pequeña posible que podamos soldar.

Si soldamos la placa a mano, no temamos insertar vías en tierra en el punto de soldadura del condensador.

Es importante mantener baja la impedancia principal debido al ruido en la red. A menos que la impedancia sea baja en un amplio rango de frecuencias, los armónicos de alta frecuencia de los transitorios de corriente de pulso generarán ruido e incluso fluctuaciones de voltaje en toda nuestra red.

Plano de referencia en el diseño de PCB

En tableros con más capas, por lo general, al menos una de ellas está completamente dedicada al plano de tierra. Un pico de cobre tan homogéneo no solo proporciona una excelente ruta de retorno para las señales, sino que también protege las pistas por encima y reduce la cantidad de interferencia emitida por nuestra placa.

Incluso en el caso de baldosas de dos capas, esta es, con diferencia, la mejor solución. Con un plano tan sólido, podremos proporcionar conexiones de baja impedancia entre los cables de tierra de los circuitos integrados y los condensadores de desacoplamiento.

He notado que muchas personas también vierten tierra en los espacios vacíos en la capa superior del tablero, pensando que esta tierra adicional protegerá mejor las señales. Incluso el relleno de cobre en ambas caras de la placa es importante para las placas que funcionan a altas temperaturas, ya que evitará que la placa se deforme y disipará mejor el calor.

Si nuestra estructura no estará expuesta a condiciones extremas, es mejor dejar solo una masa homogénea en la parte inferior de la loseta.

Un chorro adicional de masa en la capa superior no mejorará significativamente los parámetros eléctricos de nuestra estructura y puede crear problemas adicionales de los que no seremos conscientes.

 Si por alguna razón queremos tener una masa en la capa superior, debemos seguir estas reglas básicas:

No deje una tierra sin conexión entre las rutas de las señales; dicha tierra debe conectarse al plano de tierra con vías ubicadas a una distancia de 1/8 de la longitud de onda de la señal en la ruta. De lo contrario, puede resultar que el terreno dejado de esta manera aumente el nivel de diafonía entre los caminos.

Si tenemos esa posibilidad, el espacio debajo de los circuitos integrados de alta velocidad en la capa superior debería reservarse completamente para tierra.

Masa bajo el microcontrolador

Si diseñamos una placa con circuitos analógicos y digitales, no hay necesidad de compartir el plano de tierra. Dado que la corriente de retorno de las interfaces digitales de alta velocidad regresa exactamente por debajo de la ruta, no hay forma de que interfiera con las señales analógicas sensibles.

Un plano de tierra dividido incorrectamente puede conducir a la creación de una antena, lo que resultará en un mayor nivel de emisión de nuestra placa.

En el caso de tableros de dos capas, es mejor reservar la capa inferior para el plano de tierra. Propongo usar toda la capa superior para organizar los elementos y hacer conexiones entre ellos.

Si es necesario cruzar dos rutas de señal, se puede usar una resistencia SMD de 0 Ω para esto. Si queremos perder un camino conduciendo la señal a través de la capa inferior del tablero, pasemos allí por la ruta más corta posible y volvamos con ella a la parte superior del tablero.

Las rutas de la señal tendrán una alta impedancia porque están lejos del plano de tierra, por lo que captarán más ruido. Por lo tanto, mantenga la mayor distancia posible entre ellos.

Resumen

Hay muchos aspectos a considerar cuando diseñar una placa de circuito impreso. A menudo es una elección entre varias formas de compromiso. En el artículo, traté de presentar brevemente, en mi opinión, fenómenos interesantes y no muy obvios que se encuentran detrás de la electrónica moderna y que pueden transferirse con éxito al campo de los proyectos de pasatiempos.

Me doy cuenta de que los problemas presentados en el artículo son solo una gota en el mar de problemas en los que debe pensar al diseñar un tablero. Sin embargo, creo que cambiar la forma de pensar sobre el tablero y los fenómenos que ocurren en él siempre aportará un valor añadido a nuestros diseños. 

Sobre el Autor

Soy el supervisor de ingeniería y ventas que trabaja en Victorypcb desde 2015. Durante los últimos años, he sido responsable de todas las exposiciones en el extranjero como EE. UU. (IPC Apex Expo), Europa (Munich Electronica) y Japón (Nepcon), etc. Nuestra fábrica fundada en 2005, ahora tenemos 1521 clientes en todo el mundo y ocupamos muy buena reputación entre ellos.

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