Enrutamiento de PCB de alta velocidad
Existen dos métodos para el enrutamiento de PCB: automático e interactivo. Antes del enrutamiento automático, se puede usar el interactivo para preenrutar pistas con requisitos más estrictos. Las pistas de entrada y salida deben evitar el enrutamiento paralelo adyacente para evitar interferencias por reflexión. Se deben agregar planos de tierra para aislamiento cuando sea necesario. El enrutamiento en capas adyacentes debe ser perpendicular entre sí, ya que el enrutamiento paralelo puede causar fácilmente acoplamiento parásito.
El éxito del enrutamiento automático depende de un diseño bien diseñado. Las reglas de enrutamiento se pueden predefinir, incluyendo el número de curvas de traza, vías y pasos.
Normalmente, el enrutamiento exploratorio se ejecuta primero para conectar rápidamente trazas cortas. A esto le sigue el enrutamiento laberinto, que optimiza las rutas de enrutamiento generales para todas las conexiones. Puede romper las trazas existentes según sea necesario e intenta redirigir las trazas para mejorar el rendimiento general.
1. Manejo de líneas eléctricas y de tierra
Incluso con un enrutamiento excelente en toda la PCB, la interferencia causada por consideraciones inadecuadas de alimentación y tierra puede reducir el rendimiento del producto y, en ocasiones, incluso afectar los índices de rendimiento. Por lo tanto, el enrutamiento de la alimentación y tierra debe realizarse con sumo cuidado para minimizar la interferencia 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 centramos 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 trazas de potencia y tierra, idealmente haciendo que las trazas de tierra sean más anchas que las de potencia. El orden de prioridad es: trazas de tierra > trazas de potencia > trazas de señal. El ancho típico de las trazas de señal oscila entre 0,2 y 0,3 mm, con un ancho mínimo de entre 0,05 y 0,07 mm. Las trazas de potencia deben tener un ancho de entre 1,2 y 2,5 mm.
Para las PCB de circuitos digitales, se puede formar un plano de tierra ancho utilizando conductores anchos para crear una red de tierra (las tierras de circuitos analógicos no se pueden utilizar de esta manera).
(3) Utilice una placa de tierra de cobre grande. Conecte las áreas no utilizadas de la placa de circuito impreso a tierra como placa de tierra. Como alternativa, utilice una placa multicapa donde la fuente de alimentación y la tierra ocupen una capa independiente.
2. Consideraciones de conexión a tierra para circuitos de señal mixta
Muchas PCB modernas ya no contienen circuitos puramente digitales o analógicos, sino que integran ambos tipos. Por lo tanto, el enrutamiento debe tener en cuenta las interferencias mutuas, en particular el ruido en los planos de tierra.
Los circuitos digitales operan a frecuencias más altas, mientras que los analógicos presentan mayor sensibilidad. En el caso de las líneas de señal, las trazas de alta frecuencia deben enrutarse lo más lejos posible de los componentes analógicos sensibles. En cuanto a los planos de tierra, toda la 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 conexiones a tierra digitales y analógicas están físicamente separadas y no están interconectadas, excepto en los puntos de interfaz externos de la PCB (p. ej., conectores). Las conexiones a tierra digitales y analógicas comparten un único punto de conexión. Algunos sistemas pueden optar por conexiones a tierra aisladas, según el diseño del sistema.
3. Enrutamiento de líneas de señal en planos de potencia (tierra)
Al enrutar PCB multicapa, la escasez de espacio libre en los planos de señal implica que añadir capas adicionales desperdicia material, aumenta la complejidad de fabricación y eleva los costos. Para solucionar esto, considere enrutar en los planos de alimentación (tierra). Priorice primero los planos de alimentación y luego los de tierra, ya que mantener la integridad del plano de tierra es óptimo.
4. Manipulación de las patas de conexión en conductores de gran superficie
En aplicaciones eléctricas de puesta a tierra de gran superficie, las patas de los componentes suelen conectarse a ellas. El tratamiento de estas patas de conexión requiere una consideración exhaustiva. Desde la perspectiva del rendimiento eléctrico, el contacto total entre las almohadillas de las patas del componente y la superficie de cobre es ideal. Sin embargo, este enfoque presenta posibles inconvenientes para la soldadura y el ensamblaje de los componentes:
① La soldadura requiere calentadores de alta potencia.
② Provoca fácilmente uniones de soldadura frías.
Por lo tanto, para equilibrar el rendimiento eléctrico y los requisitos de fabricación, se emplean almohadillas en forma de cruz, conocidas como escudos térmicos. Este diseño reduce significativamente la probabilidad de que las uniones de soldadura se enfríen debido a la dispersión excesiva de calor durante la soldadura. El mismo enfoque se aplica a las clavijas de conexión en el plano de tierra de las placas multicapa.
5. El papel de los sistemas de red en el enrutamiento
En muchos sistemas CAD, el enrutamiento se determina mediante sistemas de red. Las cuadrículas excesivamente densas aumentan las rutas de enrutamiento, pero resultan en pasos demasiado pequeños y un volumen excesivo de datos en el área de dibujo. Esto inevitablemente exige mayor capacidad de almacenamiento del equipo y afecta significativamente la velocidad de procesamiento de los ordenadores host y los productos electrónicos. Algunas rutas se vuelven redundantes, como las ocupadas por las huellas de los componentes, los orificios de montaje o las características de montaje. Por el contrario, las cuadrículas demasiado dispersas reducen drásticamente las rutas de enrutamiento, lo que afecta gravemente las tasas de éxito del enrutamiento. Por lo tanto, un sistema de cuadrícula razonablemente denso es esencial para facilitar el enrutamiento.
La distancia estándar entre los pines de un componente es de 2,54 mm (0,1 pulgadas). Por lo tanto, la base del sistema de rejilla suele establecerse en 2,54 mm (0,1 pulgadas) o en un múltiplo entero menor de 0,1 pulgadas, como 0,05 pulgadas, 0,025 pulgadas o 0,02 pulgadas.
6 Comprobación de reglas de diseño (DRC)
Tras completar el diseño del trazado, es fundamental verificar exhaustivamente si este cumple con las normas establecidas por el diseñador. Simultáneamente, confirme que estas normas cumplen con los requisitos del proceso de fabricación de la placa de circuito impreso. Los aspectos comunes de la inspección incluyen:
① Si el espaciado entre trazas, entre trazas y almohadillas de componentes, entre trazas y vías, entre almohadillas de componentes y vías, y entre vías es razonable y cumple con los requisitos de producción.
② Compruebe si las pistas de alimentación y tierra tienen el ancho adecuado y si están bien acopladas (baja impedancia). Identifique las zonas de la PCB donde se puedan ensanchar las pistas de tierra.
3. Si se han tomado medidas óptimas para los rastros de señales críticas, como minimizar la longitud, agregar rastros de protección y separar claramente los rastros de entrada y salida.
4 ¿Las secciones de circuitos analógicos y digitales tienen planos de tierra independientes?
⑤ ¿Los gráficos agregados después del diseño (por ejemplo, íconos, anotaciones) corren el riesgo de provocar cortocircuitos en la señal?
⑥ ¿Se han modificado geometrías de trazas subóptimas?
⑦ ¿Se añaden 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? ¿Las marcas de caracteres se superponen 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 lámina de cobre expuesta en estos planos puede provocar cortocircuitos.
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