En el desarrollo electrónico, el diseño de la placa de circuito impreso es el puente crítico entre la teoría del circuito y la implementación física. Un excelente Diseño de PCB no sólo garantiza la correcta funcionalidad del circuito, sino que también mejora la fiabilidad del producto, reduce los costes de producción y simplifica el mantenimiento futuro. Este artículo profundiza en el proceso completo de diseño de PCB, desde el diseño esquemático inicial hasta la inspección final, con directrices detalladas y consejos prácticos para cada etapa.
1. Preparación previa al diseño
Diseño esquemático: Los planos del diseño de circuitos
El diseño esquemático es la base del diseño de la placa de circuito impreso, como el plano de un arquitecto. Las consideraciones clave en esta fase son:
- Precisión de los símbolos de los componentes: Asegúrese de que cada símbolo coincide con su huella física.
- Conexiones de red correctas: Verifique cuidadosamente cada conexión eléctrica para evitar aperturas o cortocircuitos.
- Jerarquía clara: Los circuitos complejos deben modularse, dibujando los bloques funcionales por separado.
Error común: Muchos principiantes se precipitan en el diseño sin comprobar a fondo los esquemas, lo que provoca problemas difíciles de localizar más adelante. Comprueba siempre los esquemas al menos dos veces antes de continuar.
Gestión de bases de datos de componentes: Los detalles importan
Una biblioteca de componentes bien organizada es un sello distintivo del diseño profesional de PCB:
- Datos de la huella: Incluye dimensiones, formas de las almohadillas y espaciado.
- Modelos 3D: Ayuda en las comprobaciones de ajuste mecánico.
- Parámetros clave: Tensión nominal, corriente, potencia, etc.
- Información para proveedores: Números MPN y canales de abastecimiento.
Consejo profesional: Mantener una biblioteca unificada para toda la empresa y actualizarla periódicamente para mejorar la eficacia y coherencia del diseño.
2. Fase de diseño de la placa de circuito impreso
Preparación del diseño y planificación de bloques
Antes de colocar los componentes, asegúrese de que están bien preparados:
- Definir el esquema del tablero: Tenga en cuenta el espacio de montaje, los orificios de fijación y la ubicación de los conectores.
- Diseño apilado: Determine el número de capas y los materiales en función de las necesidades de integridad de la señal.
- Partición de bloques funcionales: Agrupa los componentes por función del circuito y planifica el flujo de señales.
Compartir experiencias: Esbozar primero un esquema en papel -marcando la ubicación de los componentes críticos y las rutas de señal- suele resultar más eficaz que pasar directamente al software CAD.
Ajustes de cuadrícula: La clave para una maquetación eficaz
Las configuraciones de red inteligentes mejoran la calidad y la velocidad del trazado:
- Grandes componentes: Rejilla de 50-100 mil (circuitos integrados, conectores).
- Pequeños pasivosRejilla de 25 mil (resistencias, condensadores).
- Puesta a punto: Rejilla de 5-10 mil (ajustes finales).
Advertencia: Cambiar con frecuencia la configuración de la rejilla altera la alineación de los componentes. Disposición por tipo de componente en fases.
Reglas y técnicas de colocación de componentes
Principios generales de colocación
- Prioridad unilateral: Coloque todos los componentes en una sola capa a menos que la densidad exija lo contrario.
- Alineación y orientación: Coloque los componentes ortogonalmente para mayor orden.
- Control del espacio: Mínimo 1 mm entre componentes, 2 mm desde los bordes del tablero.
- Gestión térmica: Distribuya las piezas que generan calor lejos de los dispositivos sensibles a la temperatura.
Estudio de caso: En un diseño de módulo de potencia, la alineación de componentes de alta corriente redujo linealmente las longitudes de traza y mejoró la refrigeración, reduciendo las temperaturas en 15%.
Colocación de componentes críticos
- Piezas de alta frecuencia: Minimizar las longitudes de interconexión para reducir los efectos parásitos.
- Componentes de alta tensión: Aumentar las holguras, tener en cuenta los requisitos de fluencia/despeje.
- Piezas pesadas: Utilizar soportes para soportar las tensiones mecánicas.
- Componentes ajustables: Posición para un acceso ergonómico.
Lección aprendida: En una ocasión, un potenciómetro mal colocado obligó a rediseñar la carcasa, lo que retrasó el lanzamiento del producto.
3. Estrategias de enrutamiento y aplicación de reglas
Secuencia de prioridad de enrutamiento
- Señales críticas primero: Relojes, líneas de alta velocidad y señales analógicas.
- Redes eléctricas: Tenga en cuenta la capacidad de corriente y la caída de tensión.
- Señales generales: Enruta en último lugar las conexiones no críticas.
Consejos de expertos: Dedica capas a las señales críticas para evitar el acoplamiento de ruido.
Consejos y dificultades
- Curvas de 90: Evitar: utilizar trazas de 45° o curvas.
- Pares diferenciales: Mantenga la misma longitud/espacio con enrutamiento simétrico.
- Serpentinas: Utilícelo para ajustar la longitud, pero tenga cuidado con los parásitos añadidos.
- Vías: Minimizar los recuentos en los caminos críticos.
Datos de la prueba: Cada vía en líneas de alta velocidad puede introducir un retardo de 0,3-0,5ps, significativo a frecuencias de GHz.
4. Verificación y validación finales
Lista de comprobación
- Controles dimensionales: Haga coincidir los dibujos mecánicos.
- Integridad de los componentes: No faltan piezas.
- Revisión de liquidación: Distancia entre componentes/huellas/borde.
- Análisis térmico: Distribución de la fuente de calor.
- Capacidad de servicio: Fácil acceso a las piezas de desgaste.
Consejo de control de calidad: Normalizar las hojas de inspección para garantizar revisiones sistemáticas.
Áreas de interés de la revisión del diseño
- Rendimiento eléctrico: Análisis de la integridad de la señal/energía.
- Fabricabilidad: Compatibilidad con el proceso de fabricación de PCB.
- Comprobabilidad: Puntos de prueba adecuados.
- Control de costes: Utilización óptima del panel.
Consejo para el trabajo en equipo: Implique a los equipos de fabricación y pruebas en las revisiones para detectar a tiempo los problemas interdepartamentales.
5. FAQ sobre diseño de PCB
P1: ¿Por qué mis placas de circuito impreso requieren siempre varios prototipos?
R: Suele deberse a una verificación previa insuficiente. Soluciones recomendadas:
- Aplicar procedimientos rigurosos de revisión esquemática.
- Simule circuitos críticos antes del diseño.
- Compruebe virtualmente los modelos de montaje en 3D.
- Consulte con antelación a los fabricantes de placas de circuito impreso acerca de sus capacidades.
P2: ¿Cómo solucionar los problemas de integridad de la señal de alta velocidad?
R: Consideraciones clave:
- Control de la impedancia mediante anchos de traza/apilamientos calculados.
- Los caminos críticos deben ser cortos.
- Mantenga planos de referencia ininterrumpidos: evite las divisiones.
- Utilice resistencias de terminación cuando sea necesario para amortiguar las reflexiones.
P3: ¿Algún consejo para diseñar placas de circuito impreso compactas?
R: Estrategias de alta densidad:
- Prefiera componentes 0402 o más pequeños.
- Utilice placas multicapa con enrutamiento vertical.
- Emplee vías ciegas/enterradas con sensatez.
- Colaborar estrechamente con los ingenieros mecánicos en la planificación espacial.
P4: ¿Cómo minimizar los problemas de IEM?
R: Contramedidas eficaces:
- Mantenga las señales sensibles a ≥5mm de los bordes de la placa.
- Proporcione planos de tierra sólidos bajo las trazas de alta velocidad.
- Añadir filtros en las interfaces.
- Evite las esquinas afiladas y los cambios bruscos de anchura.
P5: Errores comunes en el trazado de la potencia
A: Errores típicos en el suministro de energía:
- Tapones de desacoplamiento colocados a >3 mm de los circuitos integrados.
- El tamaño insuficiente de las líneas de alimentación está provocando una caída excesiva de IR.
- Sin tener en cuenta las vías de retorno de corriente.
- Pasar por alto los efectos térmicos.
Lecturas recomendadas
- ¿Qué es un diseño de PCB?
- Cómo diseñar una placa PCB
- Cómo mejorar el rendimiento y la fiabilidad de las placas de circuito impreso