El diseño y enrutamiento de PCB es un proceso fundamental del diseño de hardware, que consiste en colocar componentes y trazar pistas conductoras en la PCB, impactando directamente en el rendimiento, la fiabilidad y la compatibilidad electromagnética (EMC) del circuito. A continuación, se presentan los principios, consideraciones y técnicas clave para el diseño de PCB, divididos en dos partes: diseño y enrutamiento.
I. Principios y técnicas de maquetación
1. Planificación de la zonificación
● Zonificación por módulos funcionales: como fuente de alimentación, analógico, digital, RF, etc., para evitar interferencias mutuas.
● Planificación del flujo de señal: Disposición según el flujo "entrada → procesamiento → salida" para reducir la diafonía.
● Aislamiento de circuitos sensibles: Mantenga las señales de alta frecuencia, de reloj, de reinicio y otras señales alejadas de fuentes de interferencia.
2. Priorización de grupos críticos y funcionales de componentes
● Primero los componentes de posición fija: como conectores, interruptores, luces indicadoras, etc.
● Centrar los componentes principales: como los microcontroladores, las FPGA, etc., y colocar los circuitos relacionados a su alrededor.
● Componentes que generan calor: Considere la disipación de calor: Reserve espacio para la disipación de calor, colocándolos cerca de los bordes o de los disipadores de calor.
3. Disposición de la fuente de alimentación
● Diseño compacto: Coloque los convertidores CC-CC, reguladores LDO, etc., lo más cerca posible de la carga para reducir el área del circuito.
● Ubicación de los condensadores de filtro: Coloque los condensadores grandes (por ejemplo, condensadores electrolíticos) lejos y los condensadores pequeños (por ejemplo, condensadores cerámicos) cerca de los pines de alimentación del chip.
4. Disposición del condensador de desacoplamiento
● Colóquelos lo más cerca posible de los pines de alimentación del chip (en la misma capa) y conecte las vías directamente al plano de alimentación/tierra.
● Utilice varios condensadores pequeños en paralelo (por ejemplo, 0,1 μF + 0,01 μF) para cubrir una banda de frecuencia más amplia.
5. Circuitos de alta frecuencia y de reloj
● Coloque el chip de reloj cerca del dispositivo objetivo y acorte las pistas.
● Coloque el cristal/oscilador cerca del circuito integrado, prohíba que haya pistas debajo y utilice blindaje de tierra.
II. Principios y técnicas de enrutamiento
1. Ancho de traza y corriente
● Cálculo del ancho de la línea eléctrica: Calcule el ancho adecuadamente en función de la corriente (por ejemplo, 1 A/mm de ancho), dejando un margen.
● Ancho de línea de señal: Normalmente de 4 a 8 milésimas de pulgada; las líneas de control de impedancia se calculan en función de la configuración de capas.
2. Trazar ángulo
● Evite los ángulos agudos (<90°), priorice los ángulos de 45° o las trazas redondeadas para reducir los cambios bruscos de impedancia.
3. Enrutamiento de pares diferenciales
● Utilice trazas paralelas, equidistantes y de igual longitud, con diferencias de longitud que normalmente se mantengan dentro de 5 milésimas de pulgada.
● Evite cruzar planos de referencia divididos para mantener la consistencia de la impedancia.
4. Integridad de la señal
● Las señales críticas (por ejemplo, reloj, datos de alta velocidad) deben ser cortas y directas, minimizando las vías.
● Las pistas de capas adyacentes deben ser ortogonales para reducir la diafonía.
● Regla 3W: Espaciado ≥ 3 veces el ancho de la pista para reducir el acoplamiento.
5. Plano de tierra y trayectoria de retorno
● Mantenga un plano de tierra completo y evite que las líneas de señal crucen planos de tierra divididos.
● Proporcionar una capa de referencia de tierra continua debajo de las señales de alta velocidad, para garantizar la ruta de retorno más corta.
6. Uso a través de
● Utilice múltiples vías de alimentación en paralelo para reducir la impedancia.
● Reduzca el número de vías para señales de alta velocidad (normalmente ≤ 2).
● Evite las vías en las almohadillas (excepto para BGA); las vías en las almohadillas requieren tratamiento de relleno.
7. Enrutamiento de árbol de potencia
● Enrutamiento con topología de árbol para evitar interferencias de impedancia común.
● Conexión de un solo punto para la toma de tierra analógica/digital (normalmente mediante una resistencia de 0 Ω o una perla de ferrita).
III. Consideraciones de diseño de compatibilidad electromagnética (CEM) e interferencia electromagnética (EMI)
● Blindaje y filtrado: utilice cubiertas de blindaje o vías de tierra para aislar RF, reloj, etc.
● Tratamiento de los bordes de la placa: Mantenga las señales sensibles alejadas de los bordes de la placa para evitar la radiación.
● Estrategia de conexión a tierra: Utilice un plano de tierra completo para placas multicapa y segmente adecuadamente las conexiones a tierra de señales mixtas.
IV. Lista de verificación (después del diseño y el enrutamiento)
● Verificación DRC: El ancho de la pista, el espaciado, el diámetro de la vía, etc., cumplen con los requisitos del proceso.
● Comprobación de conectividad: No hay redes sin conexión.
● Integridad de la alimentación: Trayectorias de alimentación de baja impedancia, la caída de tensión cumple con los requisitos.
● Integridad de la señal: Impedancia continua para señales de alta velocidad, sin reflexiones ni diafonía significativas.
● Diseño térmico: Rutas de disipación de calor sin obstrucciones para los componentes que generan calor.
● DFM: El espaciado de los componentes cumple con los requisitos de soldadura, los puntos de marcado, los bordes del proceso, etc., están completos.
V. Técnicas avanzadas
● Utilice vías de tierra: Coloque vías de tierra cerca de las transiciones de la capa de señal para proporcionar una ruta de retorno.
● Vías ciegas/enterradas y tecnología HDI: Las placas de alta densidad pueden reducir el número de capas y mejorar el rendimiento.
● Asistencia en simulación: Realice simulaciones SI/PI en señales críticas para optimizar los parámetros de enrutamiento.
Resumen:
El diseño y el enrutamiento de placas de circuito impreso (PCB) requieren un equilibrio entre el rendimiento eléctrico, los costos de fabricación y la complejidad del diseño. En la práctica, se debe seguir el orden de "diseño primero, luego enrutamiento; señales críticas primero, luego señales generales", y realizar ajustes flexibles según las características específicas del circuito. Para circuitos de alta velocidad, alta frecuencia o alta precisión, se recomienda consultar las directrices de diseño del fabricante del chip y realizar una verificación mediante simulación.
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Sobre el autor:
Sonic Yang
Como empresa especializada en electrónica y automatización mecánica, Sonic lleva aproximadamente 22 años dedicada al diseño de placas de circuito impreso, I+D y fabricación de productos electrónicos, como director de ingeniería, coordinando con la cadena de suministro (componentes y piezas CNC), y ofreciendo asistencia y consultoría profesional a clientes de todo el mundo.
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