En el diseño de placas de circuito impreso, el encaminamiento puede considerarse en tres grandes niveles. El primer nivel es la conectividad básica. Es la exigencia más básica en el diseño de PCB. Si las redes no se conectan, la placa no tiene ninguna función fundamental. Entonces la placa es una chatarra. No hablemos de otras cosas.
El segundo nivel es el rendimiento. Es la medida de la calidad de un circuito impreso. Después del enrutamiento, debemos pensar en cómo alcanzar el mejor rendimiento. Debemos evitar distintos tipos de interferencias. También debemos mantener las señales estables y limpias.
El tercer nivel es la apariencia. Puede que las pistas se conecten y que la placa tenga un buen rendimiento eléctrico, pero el diseño puede parecer desordenado. En ese caso, debemos hacer que el trazado tenga un aspecto ordenado. Un trazado limpio facilita las pruebas y reparaciones posteriores. Un trazado limpio también demuestra las habilidades de un ingeniero experimentado.
Cómo enrutar bien
Los métodos de enrutamiento pueden variar mucho. Para evitar problemas como las señales reflejadas cuando los trazados de entrada y salida discurren cerca y en paralelo, y para evitar el acoplamiento parásito cuando los trazados de dos capas adyacentes discurren en paralelo, debemos pensar en muchos factores. Si las interferencias son lo suficientemente fuertes, es posible que la placa no funcione. A continuación se indican algunas reglas recomendadas para el encaminamiento de placas de circuito impreso. La regla de los “cinco-cinco” (regla de elección de capas)
Esta regla ayuda a elegir el número de capas de la placa de circuito impreso. Cuando la frecuencia del reloj alcanza los 5 MHz o el tiempo de subida del impulso es inferior a 5 ns, la placa de circuito impreso debe ser multicapa. Se trata de una regla común.
A veces, la gente sigue optando por una placa de dos capas debido al coste. Si utiliza dos capas, intente utilizar un lado completo como plano de tierra sólido. Eso ayuda al rendimiento.
Reglas básicas mixtas digitales y analógicas
Actualmente, muchas placas de circuito impreso tienen circuitos digitales y analógicos. A la hora de enrutarlos, hay que pensar en las interferencias entre ellos, sobre todo el ruido en tierra. Los circuitos digitales funcionan a alta frecuencia. Los circuitos analógicos suelen ser sensibles.
Para las señales, mantenga las trazas de alta frecuencia lejos de las partes analógicas sensibles. En cuanto a la conexión a tierra, toda la placa de circuito impreso tiene un nodo con el mundo exterior. Por tanto, debes tratar con cuidado las conexiones a tierra digitales y analógicas dentro de la placa.
Dentro de la placa, la tierra digital y la tierra analógica suelen estar separadas y no conectadas entre sí. Sólo se unen en el punto en el que la PCB se conecta al mundo exterior, como un conector. Asegúrese de que la tierra digital y la tierra analógica tienen un enlace corto en un único punto. Algunos sistemas pueden optar por no compartir la tierra en la placa. Siga la decisión de diseño del sistema.
Manipulación de cables de componentes en grandes superficies de cobre
Las grandes zonas de cobre de tierra o alimentación suelen encontrarse con muchos cables de componentes. Para manipular los cables de las piezas, debemos encontrar un equilibrio entre el rendimiento eléctrico y el montaje.
Desde el punto de vista eléctrico, un pad debe estar totalmente conectado al cobre para obtener el mejor rendimiento. Sin embargo, los pads totalmente de cobre crean problemas en la soldadura. Los problemas incluyen:
La soldadura requiere mucho calor del soldador.
Es más fácil obtener uniones soldadas frías o débiles.
Para equilibrar las necesidades eléctricas y la fabricación, fabrique almohadillas de alivio térmico. Una forma común es una almohadilla en forma de cruz. Se denomina almohadilla térmica. Ayuda a soldar aislando térmicamente la almohadilla de los grandes planos de cobre. Las almohadillas térmicas reducen la posibilidad de que se produzcan juntas de soldadura frías. Trate las vías que conectan las capas de potencia y tierra de la misma manera en una placa multicapa.
Reglas del sistema de cuadrícula
Un sistema de rejilla de tierra o malla de tierra ayuda a reducir la inductancia de la traza y proporciona una buena vía de retorno para las corrientes de RF. Pero hay que tener cuidado con la densidad de la malla.
Si la malla es demasiado densa, habrá muchos pasos de malla pequeños. Eso genera muchos datos de trazado. Esto necesita más almacenamiento y ralentiza las herramientas CAD. Además, algunas rutas de la malla son inútiles porque están ocupadas por pastillas de componentes u orificios de montaje. Si la malla es demasiado dispersa, el trazado se complica y el éxito del trazado disminuye.
Por tanto, elija una densidad de rejilla razonable. La distancia estándar entre los conductores de los componentes es de 2,54 mm (0,1 pulgadas). Por lo tanto, una cuadrícula base de 0,1 pulgadas o un submúltiplo ordenado es común. Ejemplos: 0,05 pulgadas, 0,025 pulgadas, 0,02 pulgadas, etc.
Cómo comprobar después del encaminamiento
Una vez finalizado el trazado de la placa de circuito impreso, compruebe si el diseño sigue las normas y si cumple los límites de fabricación. Las comprobaciones que se indican a continuación son habituales.
Las áreas a comprobar incluyen: elementos generales del dibujo de diseño de PCB, comprobaciones eléctricas de la PCB, comprobaciones físicas de la PCB, factores de diseño mecánico, requisitos de montaje de la PCB, necesidades de separación de la placa, consideraciones mecánicas, problemas eléctricos, rutas de encaminamiento y colocación, anchura y grosor de las trazas, espaciado de las trazas, comprobaciones de la forma de las trazas y una lista de elementos de diseño.
Lista de control práctica
Compruebe si la distancia entre vías es razonable.
Compruebe si las anchuras de las líneas de alimentación y tierra se adaptan a las necesidades actuales.
Compruebe si los trazados de señales clave utilizan las mejores medidas (trayecto corto, impedancia controlada, apantallamiento).
Compruebe si las partes analógicas y digitales tienen masas separadas, si es necesario.
Compruebe si los patrones de cobre añadidos en la placa podrían cortocircuitar las señales.
Compruebe si la placa tiene las líneas o marcas de fabricación requeridas por la fábrica.
Compruebe si los bordes de los planos de potencia y de tierra de una placa multicapa tienen la inserción requerida.
Estudio de casos de enrutamiento y reglas clave
El fresado es una parte importante del diseño de placas de circuito impreso. A menudo es lo que más tiempo lleva. Los ingenieros deben seguir una serie de reglas básicas a la hora de trazar las rutas, como las reglas del chaflán y la regla de las 3W.
Regla del bucle de tierra
La regla del bucle más pequeño significa que el área encerrada por una señal y su camino de retorno debe ser lo más pequeña posible. Cuanto menor sea el área de bucle, menos radiará la placa y menos ruido externo recibirá.
Cuando divida los planos de tierra, piense en cómo se alinean la forma del plano y las rutas de señal importantes. Evita los problemas derivados de las ranuras del plano de tierra que aumentan el área de bucle.
En los diseños de dos capas, deje suficiente espacio para la alimentación. Rellene el otro espacio con cobre de tierra de referencia. Añada las vías de tierra necesarias para conectar los dos lados de la placa. Para las señales clave, utilice aislamiento de tierra. Para diseños de alta frecuencia, utilice placas multicapa.
Norma de blindaje y protección
El apantallamiento es otra forma de reducir el área de bucle y disminuir la radiación. Utilice blindaje para señales importantes como las de reloj y sincronización.
Para señales muy críticas o de muy alta frecuencia, puede utilizar un blindaje de cobre o un diseño tipo coaxial. Rodee la traza enrutada por todos sus lados con tierra. Planifique también cómo se conecta la tierra de la pantalla al plano de tierra principal.
Regla de control de diafonía
La diafonía es la interferencia entre diferentes redes de la placa de circuito impreso. Proviene de un largo trazado en paralelo. La causa es la capacitancia y la inductancia distribuidas entre los trazados paralelos.
Principales formas de combatir la diafonía:- Aumentar la separación entre trazas paralelas. Siga la regla de los 3 W. Inserte trazas de protección conectadas a tierra entre las trazas paralelas críticas.
Recordatorio de la regla 3W
Para reducir la diafonía, mantenga una distancia entre trazas grande. Si la distancia central es tres veces la anchura de la traza, se aísla aproximadamente 70% del campo. Para un aislamiento de 98%, utilice 10W.
Control de dirección de las trazas
Mantenga ortogonal la dirección de las capas adyacentes. Evite colocar trazas en la misma dirección en capas adyacentes. De este modo se reduce el acoplamiento entre capas. Si la estructura de la placa obliga a utilizar trazados paralelos, especialmente en diseños de alta velocidad, utilice planos de tierra entre las capas de trazado para aislarlas. Utilice también líneas de guarda conectadas a tierra entre las líneas de señal.
Regla de comprobación de trazas colgantes
No deje ningún extremo de la red flotando sin conexión. Las trazas flotantes pueden actuar como antenas. Provocan radiación adicional y pueden captar ruido. Evítalo.
Regla de verificación del bucle cerrado
Evita que una señal forme un bucle a través de diferentes capas. En las placas multicapa, los bucles provocan radiación. Esté atento y ajuste el enrutamiento.
Regla del chaflán
Evite ángulos agudos o afilados en las esquinas de las trazas. Los ángulos agudos pueden provocar radiaciones no deseadas. También pueden ser perjudiciales para la fabricación. Utilice giros suaves o ángulos de 45 grados.
Regla de los componentes de desacoplamiento
Añade condensadores de desacoplamiento según sea necesario. El desacoplamiento filtra el ruido en las líneas de alimentación. Coloca el condensador de desacoplamiento cerca de la patilla de alimentación del dispositivo después del filtro de alimentación.
Integridad de los planos de potencia y tierra
En zonas con muchas vías, no deje que las vías corten el plano de forma que éste se separe en partes más pequeñas. Las divisiones de planos aumentan el área de bucle y causan problemas en la ruta de retorno de la señal. Al separar en abanico, mantenga el espaciado de las vías de modo que pueda colocar al menos una traza entre las vías.
Regla de solapamiento del plano de potencia
Evite la superposición de diferentes planos de alimentación en el espacio. Así se reducen las interferencias entre fuentes, sobre todo cuando las distintas fuentes tienen grandes diferencias de tensión. Si el solapamiento es inevitable, considera la posibilidad de añadir una capa de tierra entre ellos.
Norma 20H repetida
Recuerde el efecto de borde. La distancia entre el plano de potencia y el plano de tierra afecta a la radiación en los bordes. Inserte el plano de potencia para mantener el campo dentro del plano de tierra. Una inserción de 20H limita aproximadamente 70% del campo. Una inserción de 100H limita aproximadamente 98% del campo.
Reglas de encaminamiento y controles más detallados
Control de la trayectoria de retorno
Planifique siempre la ruta de retorno de la señal. Una señal debe tener un retorno de baja impedancia por debajo. Las vías de retorno a tierra deben ser cortas.
Fanout y planificación vía
En el caso de piezas BGA densas o de paso fino, planifique la salida en abanico con antelación. Mantenga un espaciado entre vías que deje espacio para encaminar las señales. En diseños avanzados, utilice microvías o vías ciegas si es necesario.
Control de impedancia
Para trazas de alta velocidad de un solo extremo o pares diferenciales, controla la anchura y el espaciado de la traza para que coincida con la impedancia objetivo. Utilice el apilamiento y el dieléctrico de la PCB para calcular la geometría de la traza.
Enrutamiento de pares diferenciales
Guíe los pares de diferenciales con la misma longitud. Mantenga el espaciado estable. Evite los empalmes. Mantenga las curvas suaves.
Coincidencia de longitud y retardo
Para los buses e interfaces que necesiten una sincronización ajustada, ajuste la longitud del trazado. Utilice trazados serpenteantes para ajustar la longitud. Mantenga los patrones de serpentina suaves y cortos en altura.
Alivio térmico y almohadillas térmicas
Cuando fije almohadillas a cobre de gran tamaño, utilice alivio térmico. Haga que la almohadilla se conecte al plano con radios. Esto facilita la soldadura.
Máscara de soldadura y máscara de pasta
Comprobar las aberturas de la máscara de soldadura. Alinee la máscara de pasta para piezas SMD. Asegúrese de que las almohadillas pequeñas tengan el área de pasta correcta.
Diseño para pruebas y montaje
Deje puntos de prueba y marcas de montaje. Deje espacio para las sondas. Hacer que la colocación permita la soldadura y la inspección.
Lista de control final de la ruta (lista corta)
- Compruebe que todas las redes están conectadas - Realice comprobaciones DRC y ERC - Compruebe la anchura y la corriente de las trazas - Compruebe el espaciado de la diafonía y la tensión - Compruebe los condensadores de desacoplamiento y de masa - Compruebe las divisiones de planos y las vías de retorno - Compruebe los relieves térmicos y las formas de los pads - Compruebe el acceso de montaje y prueba.
Errores comunes que hay que evitar
- No añadir desacoplamiento cerca de los pines del circuito integrado - Dejar que las vías dividan mal los planos - No planificar la salida en abanico para chips densos.
Notas finales
El encaminamiento es una parte fundamental del diseño de placas de circuito impreso. Un buen trabajo de enrutado proporciona conexiones correctas, buen rendimiento y buena apariencia. Siga unas reglas sencillas. Reduzca los bucles. Controle la diafonía y las vías de retorno. Utilice insertos planos para controlar los bordes. Desacople el ruido de alimentación. Utilice relieves térmicos para soldar. Utilice una rejilla razonable para el encaminamiento. Compruebe cuidadosamente la placa después del enrutado.
Si sigues estas reglas básicas, reducirás la EMI, mejorarás la calidad de la señal y harás que la placa sea más fácil de construir y mantener. El enrutado requiere cuidado. Dedique tiempo a la planificación y el diseño. Un buen diseño se traduce en ahorro de tiempo en pruebas y reparaciones, y en la calidad del producto final.
