Dominar el diseño de PCB: estrategias, directrices y mejores prácticas

Los PCB son análogos al esqueleto y al sistema nervioso de los circuitos electrónicos y desempeñan un papel fundamental en los proyectos de ingeniería electrónica. Sin embargo, muchas personas carecen de conocimientos o no poseen conocimientos suficientes sobre el diseño de PCB.

Durante mis años universitarios, desarrollé un interés particular en el diseño de circuitos de hardware y placas de circuito, y estudié estos temas con diligencia. En ese momento, creía que lo ideal sería conseguir un trabajo que involucrara diseño asistido por computadora (CAD) en una oficina después de graduarme. Después de graduarme, conseguí con éxito un puesto en una empresa de electrónica en Guangzhou, donde trabajé como ingeniero de PCB. Inicialmente, tenía que estar bien versado en varias tareas, incluido el dibujo esquemático, la selección de componentes, el diseño de PCB, la soldadura de prototipos, la depuración, la creación de listas de materiales (BOM) y la preparación de instrucciones de trabajo. Esta experiencia marcó el inicio de mi andadura en la industria electrónica.

El papel crucial de los diagramas esquemáticos en el diseño de PCB

Si bien un buen diagrama esquemático no puede garantizar un buen enrutamiento, el enrutamiento de calidad comienza con un buen esquema. Al crear un esquema, se requiere una consideración minuciosa, prestando especial atención al flujo de señal de todo el circuito. Un flujo de señal suave y constante de izquierda a derecha en el esquema debería traducirse en un flujo de señal igualmente bueno en la PCB. Es aconsejable proporcionar tanta información útil como sea posible en el esquema.

En ocasiones, cuando los ingenieros de diseño de circuitos no están disponibles, los clientes pueden solicitar nuestra ayuda para resolver problemas de circuitos. Los diseñadores, técnicos e ingenieros que participan en este trabajo suelen estar agradecidos, al igual que nosotros. Además de la información común, como los designadores de referencia, el consumo de energía y la tolerancia, ¿qué otra información debería incluirse en el esquema? Las siguientes sugerencias pueden elevar un esquema ordinario a uno de primera categoría: incluir formas de onda, información mecánica sobre la carcasa, longitudes de línea impresas, áreas en blanco; indicar qué componentes deben colocarse en la PCB; proporcionar información de ajuste, rangos de valores de componentes, información de disipación de calor, impedancia controlada Líneas impresas, anotaciones, descripciones concisas del funcionamiento del circuito y mucho más.

Directrices para una colaboración eficaz en el diseño de PCB

Si usted no diseñó el enrutamiento usted mismo, es esencial dedicar tiempo suficiente para revisar meticulosamente el trabajo del diseñador del enrutamiento. En este momento, una pequeña precaución puede valer más que cien remedios. No dé por sentado que la persona que le dirige la ruta puede captar sus ideas. Sus opiniones y orientación son cruciales en las etapas iniciales del proceso de diseño de enrutamiento. Cuanta más información proporcione y más involucrado esté durante el proceso de enrutamiento, mejor será la PCB resultante. Establecer un punto de finalización provisional para el diseñador de enrutamiento (revisar rápidamente el progreso del enrutamiento de acuerdo con el enrutamiento deseado) puede evitar que el enrutamiento se desvíe de su curso, minimizando así la probabilidad de volver a trabajar.

Las instrucciones para el ingeniero de enrutamiento deben incluir: una breve descripción de la función del circuito, un esquema de PCB que indique las ubicaciones de las entradas y salidas, información sobre la pila de PCB (por ejemplo, espesor de la placa, número de capas, información detallada sobre cada capa de señal y tierra). plano: potencia, tierra, señal analógica, señal digital y señal de RF); qué señales requiere cada capa; requisitos de colocación de componentes críticos; ubicaciones exactas de los componentes de derivación; qué líneas impresas son críticas; qué líneas requieren impresión de impedancia controlada; qué líneas requieren longitudes coincidentes; dimensiones de los componentes; qué líneas impresas deben mantenerse separadas (o juntas); qué líneas deben mantenerse separadas (o juntas); qué componentes deben mantenerse separados (o juntos); qué componentes deben colocarse encima de la PCB y cuáles deben colocarse debajo. Nunca te quejes de proporcionar demasiada información a los demás. ¿Es muy poca? Sí; ¿Es demasiado? No.

Aprender de los errores: la importancia de la ubicación de los componentes en diseños de PCB complejos

Hace unos 10 años, diseñé una placa de circuito de montaje en superficie multicapa: ambos lados de la placa tenían componentes. La placa se fijó en una carcasa de aluminio chapada en oro con muchos tornillos (debido a requisitos muy estrictos de resistencia a los golpes). Se proporcionaron pasadores para la alimentación al bies a través del tablero. Este era un dispositivo muy complejo. Algunos componentes de la placa se utilizaron para pruebas de configuración (SAT). Sin embargo, había especificado claramente las ubicaciones de estos componentes. ¿Puedes adivinar dónde se instalaron todos estos componentes? Así es, fueron instalados en la parte inferior del tablero. Cuando el ingeniero y el técnico del producto tuvieron que desmontar todo el dispositivo, completar la configuración y luego volver a montarlo, no quedaron satisfechos. Desde entonces no he vuelto a cometer ese error.

Mejora de la eficiencia de las PCB mediante el diseño de circuitos estratégicos

Al igual que en los PCB, la posición lo determina todo. Es crucial dónde se coloca un circuito en una PCB, dónde se instalan sus elementos de circuito específicos y qué otros circuitos están adyacentes a él.

Normalmente, las posiciones de las entradas, salidas y fuentes de alimentación están predeterminadas, pero los circuitos entre ellas requieren cierta “creatividad”. Es por eso que prestar atención a los detalles de la ruta generará retornos significativos. A partir de la posición de los componentes clave, considere el circuito específico y toda la PCB. Especificar las posiciones de los componentes clave y las rutas de las señales desde el principio ayuda a garantizar que el diseño alcance los objetivos operativos esperados. Hacer el diseño correcto a la primera puede reducir los costos y el estrés, y acortar el ciclo de desarrollo.

Además, analicemos esas "almohadillas especiales" en la PCB:

Primero, almohadilla en forma de lágrima La lágrima es una conexión de caída entre una almohadilla y un conductor o entre un conductor y una vía. El propósito de configurar la lágrima es evitar que el punto de contacto entre el conductor y la almohadilla o el conductor y la vía se desconecte cuando la placa de circuito se somete a una fuerza externa enorme, y también hacer que la placa de circuito PCB se vea más hermosa. La función de la lágrima es evitar que el ancho de la línea de señal se estreche repentinamente, lo que puede hacer que la conexión entre el enrutamiento y el pad del componente sea más suave y resolver el problema de la fácil rotura de la conexión entre el pad y el enrutamiento.

1. Al soldar, puede proteger la almohadilla y evitar que se caiga durante múltiples soldaduras.
2. Mejorar la confiabilidad de la conexión (para evitar grietas causadas por grabado desigual y desplazamiento de vías en producción)
3. Impedancia suave, reduce el cambio brusco de impedancia En el diseño de PCB, para hacer que la almohadilla sea más robusta y evitar que se desconecte del conductor durante la fabricación mecánica de la placa, a menudo se dispone una zona de transición entre la almohadilla y el conductor, con forma de una lágrima, de ahí que a menudo se la llame lágrima (Teardrops).

Segundo, diente de descarga. Este elemento se denomina diente de descarga, espacio de descarga o descarga de chispa. El descargador de chispa es un par de triángulos con ángulos agudos que apuntan uno hacia el otro, con las puntas de los triángulos espaciadas desde un máximo de 10 mils hasta un mínimo de 6 mils. Un triángulo está conectado a tierra y el otro está conectado a la línea de señal. Este triángulo no es un componente, sino que está hecho de capas de lámina de cobre utilizadas en el proceso de enrutamiento de PCB. Estos triángulos deben colocarse en la capa superior (lado del componente) de la PCB y no pueden ser cubiertos por resistencia a la soldadura.

1. Durante las pruebas de sobretensión de fuentes de alimentación conmutadas o pruebas de ESD, se generará alto voltaje en ambos extremos del inductor de modo común, lo que provocará la formación de arcos. Si la distancia a los componentes circundantes es corta, podría dañar los componentes circundantes. Por tanto, se puede conectar en paralelo un tubo de descarga o varistor en sus dos extremos para limitar su tensión y así desempeñar un papel en la extinción del arco. Aunque colocar un protector contra sobretensiones es efectivo, es relativamente costoso.
2. Otra forma es agregar un diente de descarga en ambos extremos del inductor de modo común en el diseño de PCB, de modo que el inductor se descargue a través de los dos extremos puntiagudos del diente de descarga, evitando la descarga a través de otras rutas, minimizando así el impacto en los alrededores y posteriores. -componentes del escenario.

Los espacios de descarga no requieren costos adicionales, simplemente dibújelos en la PCB al dibujar la placa, pero es importante tener en cuenta que esta forma de espacio de descarga es un espacio de descarga en forma de aire y solo se puede usar en entornos donde se produce ESD ocasionalmente. Si se usa en entornos donde la ESD ocurre con frecuencia, los depósitos de carbón se acumularán en los dos puntos del triángulo debido a la descarga frecuente, lo que eventualmente causará un cortocircuito en el espacio de descarga y provocará un cortocircuito permanente de la línea de señal a tierra, lo que resultará en un fallo del sistema.

De hecho, hay muchos placeres en el diseño de PCB, pero sólo practicando se tendrá una comprensión profunda. Si sus amigos tienen algún sentimiento sobre el diseño de PCB después de leer este artículo, pueden contactarnos para intercambiarlo.

Para la planificación de la producción, también ayuda comparar este tema con Selección de material de placa de circuito impreso y Comparación de acabados superficiales antes de finalizar el paquete de fabricación o ensamblaje.

Conclusión

El diseño de PCB es crucial en electrónica, ya que forma el núcleo del circuito. Sin embargo, la comprensión suele ser limitada. Los esquemas completos, que detallan las formas de onda, la mecánica y las ubicaciones, respaldan el enrutamiento de calidad. Una revisión rigurosa, una comunicación clara y una especificación temprana de ruta/componente previenen problemas, garantizan la satisfacción y optimizan la eficiencia. Las almohadillas especializadas (lágrimas, dientes de descarga) aumentan la confiabilidad al evitar el desprendimiento y mitigar el alto voltaje. La experiencia y el intercambio de conocimientos son clave para dominar el diseño de PCB.