Enrutamiento de PCB de alta velocidad
Existen dos métodos para el enrutamiento de PCB: el enrutamiento automático y el interactivo. Antes de recurrir al enrutamiento automático, se puede utilizar el interactivo para pre-enrutar pistas con requisitos más estrictos. Las pistas de entrada y salida deben evitar el enrutamiento paralelo adyacente para prevenir interferencias por reflexión. Se deben añadir planos de tierra para el aislamiento cuando sea necesario. El enrutamiento en capas adyacentes debe ser perpendicular entre sí, ya que el enrutamiento paralelo puede provocar fácilmente acoplamiento parásito.
La tasa de éxito del enrutamiento automático depende de un diseño bien planificado. Se pueden predefinir reglas de enrutamiento, incluyendo el número de curvas de traza, vías y pasos.
Normalmente, primero se realiza un enrutamiento exploratorio para conectar rápidamente trazas cortas. A continuación, se aplica un enrutamiento de laberinto, que optimiza las rutas generales para todas las conexiones. Este proceso puede interrumpir las trazas existentes según sea necesario e intenta redirigirlas para mejorar el rendimiento general.
1. Manejo de líneas de alimentación y tierra
Incluso con un enrutamiento excelente en toda la placa de circuito impreso, las interferencias causadas por una alimentación y conexión a tierra inadecuadas pueden degradar el rendimiento del producto e incluso afectar a la productividad. Por lo tanto, el enrutamiento de las líneas de alimentación y tierra debe realizarse con sumo cuidado para minimizar las interferencias de ruido y garantizar la calidad del producto.
Todo diseñador electrónico comprende las causas del ruido entre las líneas de alimentación y tierra. Aquí, nos centraremos exclusivamente en los métodos de reducción y supresión de ruido:
(1) Es bien sabido que se deben agregar condensadores de desacoplamiento entre las líneas de alimentación y de tierra.
(2) Maximice el ancho de las pistas de alimentación y tierra, idealmente con las pistas de tierra más anchas que las de alimentación. El orden de prioridad es: pistas de tierra > pistas de alimentación > pistas de señal. El ancho típico de las pistas de señal oscila entre 0,2 y 0,3 mm, con un mínimo de entre 0,05 y 0,07 mm. Las pistas de alimentación deben tener un ancho de entre 1,2 y 2,5 mm.
Para las placas de circuitos impresos digitales, se puede formar un plano de tierra amplio utilizando conductores anchos para crear una red de tierra (las tierras de los circuitos analógicos no se pueden usar de esta manera).
(3) Utilice un plano de tierra de cobre de gran tamaño. Conecte a tierra las áreas no utilizadas de la placa de circuito impreso. Como alternativa, utilice una placa multicapa donde la alimentación y la tierra ocupen capas separadas.
2. Consideraciones sobre la conexión a tierra en circuitos de señal mixta
Muchos circuitos impresos modernos ya no contienen circuitos puramente digitales o analógicos, sino que integran ambos tipos. Por lo tanto, el enrutamiento debe tener en cuenta la interferencia mutua, en particular el ruido en los planos de tierra.
Los circuitos digitales operan a frecuencias más altas, mientras que los circuitos analógicos presentan mayor sensibilidad. En las líneas de señal, las pistas de alta frecuencia deben alejarse lo máximo posible de los componentes analógicos sensibles. En cuanto a los planos de tierra, la placa de circuito impreso (PCB) presenta un único punto de conexión externo. Por lo tanto, la conexión a tierra compartida de los componentes digitales y analógicos debe gestionarse internamente en la PCB. Dentro de la placa, las tierras digitales y analógicas están físicamente separadas y no interconectadas, excepto en los puntos de interfaz externos de la PCB (por ejemplo, conectores). Las tierras digitales y analógicas comparten un único punto de conexión. Algunos sistemas pueden optar por tierras aisladas, según lo determine el diseño del sistema.
3. Enrutamiento de líneas de señal en planos de alimentación (tierra)
Al diseñar circuitos impresos multicapa, el espacio limitado sin usar en los planos de señal implica que añadir capas adicionales desperdicia material, aumenta la complejidad de la fabricación y eleva los costos. Para solucionar esto, considere diseñar circuitos en los planos de alimentación (tierra). Priorice primero los planos de alimentación y luego los de tierra, ya que mantener la integridad de estos últimos es óptimo.
4. Manejo de las conexiones en conductores de gran superficie
En aplicaciones de puesta a tierra (eléctricas) de gran superficie, las patas de los componentes suelen conectarse a ellas. El tratamiento de estas conexiones requiere una consideración exhaustiva. Desde el punto de vista del rendimiento eléctrico, lo ideal es el contacto total entre las almohadillas de las patas del componente y la superficie de cobre. Sin embargo, este enfoque presenta posibles inconvenientes para la soldadura y el montaje de los componentes:
① La soldadura requiere calentadores de alta potencia.
② Puede provocar fácilmente soldaduras frías.
Por lo tanto, para equilibrar el rendimiento eléctrico y los requisitos de fabricación, se emplean almohadillas en forma de cruz, conocidas como protectores térmicos o almohadillas térmicas. Este diseño reduce significativamente la probabilidad de soldaduras frías causadas por una dispersión de calor excesiva durante la soldadura. El mismo enfoque se aplica a la conexión de pines en el plano de tierra de placas multicapa.
5. El papel de los sistemas de red en el enrutamiento
En muchos sistemas CAD, el enrutamiento está determinado por la red. Las mallas excesivamente densas aumentan las rutas, pero generan pasos demasiado pequeños y un volumen de datos excesivo en el área de dibujo. Esto exige una mayor capacidad de almacenamiento del equipo y afecta significativamente la velocidad de procesamiento de los ordenadores y dispositivos electrónicos. Algunas rutas se vuelven redundantes, como las ocupadas por las huellas de los componentes, los orificios de montaje o los elementos de montaje. Por otro lado, las mallas demasiado dispersas reducen drásticamente las rutas, lo que afecta gravemente a la precisión del enrutamiento. Por lo tanto, un sistema de malla con una densidad adecuada es esencial para un correcto enrutamiento.
La distancia estándar entre las patillas de un componente es de 0,1 pulgadas (2,54 mm). Por consiguiente, la base del sistema de rejilla se suele establecer en 0,1 pulgadas (2,54 mm) o en un múltiplo entero inferior a 0,1 pulgadas, como 0,05 pulgadas, 0,025 pulgadas o 0,02 pulgadas.
6. Verificación de reglas de diseño (DRC)
Tras completar el diseño del enrutamiento, es fundamental verificar minuciosamente que este cumpla con las reglas establecidas por el diseñador. Asimismo, se debe confirmar que dichas reglas satisfacen los requisitos del proceso de fabricación de la placa de circuito impreso. Los aspectos comunes de la inspección incluyen:
① Si el espaciado entre pistas, entre pistas y almohadillas de componentes, entre pistas y vías, entre almohadillas de componentes y vías, y entre vías es razonable y cumple con los requisitos de producción.
2. Comprobar si las pistas de alimentación y tierra tienen el ancho adecuado y si están acopladas estrechamente (baja impedancia). Identificar las áreas de la PCB donde se pueden ensanchar las pistas de tierra.
③ Si se han tomado medidas óptimas para las trazas de señal críticas, como minimizar la longitud, agregar trazas de blindaje y separar claramente las trazas de entrada y salida.
④ ¿Tienen las secciones de circuitos analógicos y digitales planos de tierra independientes?
⑤ ¿Existe riesgo de que los gráficos añadidos después del diseño (por ejemplo, iconos, anotaciones) provoquen cortocircuitos en la señal?
⑥ ¿Se han modificado las geometrías de trazado subóptimas?
⑦ ¿Se han añadido líneas de proceso a la PCB? ¿Cumple la máscara de soldadura con los requisitos de fabricación? ¿Son adecuadas las dimensiones de la máscara de soldadura? ¿Se superponen las marcas de caracteres a las almohadillas de los componentes, lo que podría comprometer la calidad del ensamblaje?
⑧ ¿Están empotrados los bordes exteriores de los planos de alimentación/tierra en las placas multicapa? La exposición de la lámina de cobre en estos planos supone un riesgo de cortocircuito.
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