14 Consejos Expertos para Diseñar, Programar y Probar PCBs

1. Diseño del Sistema

1.1 Diseño del Sistema / Preliminar

La programación PCB el enfoque principal debería ser entender el diseño general de la placa antes de comenzar. Cuando sabes qué componente encaja dónde, el proceso de diseño se vuelve mucho más cómodo.

El diseño preliminar comprende dos pasos significativos. Primero, deberías construir un diagrama del sistema completo. Trata esto como tu plano de diseño. El plano te guiará sobre cuáles son las entradas y salidas sin entrar en demasiados detalles.

Es tener la idea de cómo funciona y se conecta toda la placa.

1.2 Diagrama de Bloques

Un diagrama de bloques incluye un bloque para cada clúster de componentes significativo. La forma en que estos módulos están vinculados entre sí, cómo interactúan y cuánto voltaje fluye a través de cada etapa.

Cuando todos estos bloques se añaden al diagrama y cuánta energía inicial se requerirá, añade estos detalles al dibujo. Hará tu trabajo más fácil al dar una idea de si necesitarás controladores de voltaje para cambiar para cada bloque central.

Necesitas cambiadores (shifters) para control de voltaje porque dos partes eléctricas están vinculadas entre sí a través de voltaje de contribuidor. Cuando estas dos partes eléctricas usan diferentes niveles de energía, necesitas usar un cambiador.

1.3 Selecciona Microcontrolador

Puedes decidir qué tipo de microcontrolador usar basándote en algunos detalles necesarios como coste, disponibilidad, propiedades, etc. Puedes obtener todos estos detalles del sitio de distribuidores.

• Precio sobre rendimiento – Arm Cortex-M es un MC de calidad por lo baratos que son y el nivel de rendimiento que puedes obtener de ellos. Incluso si estás programando PCB solo para 8-bit, puedes permitirte y deberías usar un Cortex-M de 32-bit.
• Rendimiento – dependiendo del número de pines GPIO y qué usa el protocolo serie.
• Paquete con Patillas (Leaded Package) – Esta es una excelente característica porque los pines del microcontrolador se vuelven fácilmente disponibles. Los paquetes que vienen sin patillas tienen los pines metidos debajo del contenedor. Significa que es difícil alcanzar los clavos si no tienes puntos de prueba disponibles.

2. Programación PCB - Diseño de Circuito Esquemático

Para comenzar con el conector, un regulador para controlar voltaje, un chip MC y un conector de programación PCB.

2.1 Condensadores

Para hacer esto, seguiremos estos pasos.

1. Comienza el diseño posicionando un condensador sobre el pin de entrada que está en el regulador. Coloca otro condensador en el pin de salida del regulador. El primero es para el voltaje de entrada, y el segundo es para guardar carga para pasarla a cargas impermanentes. El segundo condensador también actuará para crear estabilidad con el regulador. Sin esto, el regulador fluctuará.
2. Cerca de los pines de alimentación del MC, colocarás condensadores para desacoplo. Puedes consultar a expertos para entender qué tipo de condensador usar para esta función.

2.2 Pinout del Microcontrolador

Los fabricantes de microcontroladores suelen configurar muchas funciones diferentes en el mismo pin para reducir el número total de sujetadores requeridos.

Al principio, el uso del clavo comenzará automáticamente. Pero estos pines también pueden tener funciones alternativas. Asegura que no hay dos servicios que necesites asignar a un pin.

2.3 Osciladores RC

El reloj es un componente necesario porque determina que el microcontrolador realice las funciones en la secuencia adecuada cada segundo. Algunos microcontroladores que tienen relojes pre-instalados vigilan temporizadores, también llamados osciladores RC porque combinan el tiempo de tanto un condensador como una resistencia. El inconveniente es que tienen menor precisión. La temperatura puede afectar mayormente el nivel de precisión de la oscilación.

Para kits de inicio, son excelentes. Pero si estás diseñando algo que necesita precisión de tiempo extrema, entonces estos relojes no son aconsejables.

2.4 Conector de Programación

Solo hay dos protocolos de programación: el protocolo JTAG y el protocolo Serial Wire Debug (SWD).

El SWD solo necesita cinco pines para realizar clock, i/o, tierra, voltaje de contribuidor y reset. Si buscas diseñar una placa pequeña, esta puede ser la elección ideal.

Los conectores JTAG pueden tener un gran número de pines y son adecuados para programación compleja.

2.5 Alimentación (Power)

El microcontrolador necesita un voltaje de contribuidor para controlar los componentes. Puedes usar un cargador USB externo para este propósito. Calcula el voltaje de salida que alimenta el regulador y la salida estable de ese para decidir qué suministro es adecuado para tu diseño. 1 pin GPIO necesita alrededor de 24 mA de corriente, así que calcula la corriente de fuente dependiendo de eso. Para modelos básicos, el microcontrolador puede consumir hasta 300 mA con facilidad.

2.6 Comprobación de Reglas Eléctricas (Electrical Rules Check)

Puedes poner algunos errores para pines con la ayuda de comprobaciones de colores. Te dirá instantáneamente si hay algún problema con la placa y de dónde se origina.

El último paso es comprobar que no tienes ningún cortocircuito dentro de apuestas, pines tocándose entre sí, o cualquier pin permaneciendo sin conectar.

3. Diseño de Layout PCB

En este paso, puedes empezar a colocar todos los componentes dentro del diseño de la placa de circuito. Luego puedes usar 'convertir a PCB' para asegurar que el diseño crea el producto finalizado con cada componente en su lugar.

3.1 Colocación de Componentes

Este paso puede comprobar el posicionamiento correcto de las partes. Si estás usando software para diseño PCB, ya puedes colocar componentes en su lugar. Pero para mejor rendimiento del layout, los expertos prefieren hacerlo manualmente.

Asegura que el regulador posicione el conector micro USB, y la salida esté cerca del pin de entrada. Luego puedes colocar el conector de programación en un lugar que creas que encaja en el diseño. Después de que todo esté en su lugar, puedes colocar las resistencias, inductores y los varios condensadores que discutimos.

3.2 Pila de Capas PCB (PCB Layer Stack)

La PCB es una colección de capas apiladas una sobre otra. Cuando tienes hojas capaces de conducción, necesitan tener material de aislamiento entre ellas. Puedes tener un máximo de dos de estas, preferiblemente en los exteriores. A medida que haces los diseños más avanzados, puedes añadir más capas conductoras en números pares.

3.3 Cableado PCB (PCB Wiring)

El cableado generalmente se realiza después de la colocación de componentes. Puedes hacerlo automáticamente o manualmente. El proceso automático no es muy eficiente.

El principio principal del enrutamiento (routing) es que necesitarás acortar la altura de las pistas (traces). También deberías reducir cuántas vías estás usando y cualquier giro de 90 grados. Cuanto mayor sea la potencia de la evidencia, más críticos se vuelven estos principios.

Puedes usar vías pasantes (through vias) si intentas reducir el coste de construir un prototipo. Las vías ciegas y enterradas (blind and buried vias) tienden a ser mucho más caras. Las pistas también deberían manejar el flujo de corriente, o se derretirán y causarán que la placa se dañe.

3.4 Verificación

En la verificación, tienes que asegurar que las reglas de diseño están verificadas y el esquema también ha sido validado.

La comprobación DR asegurará que has usado el ancho de pista correcto y has dejado espacio adecuado entre marcas y el espacio entre la placa y la evidencia es correcto.

Las DR dependen de qué placa de circuito estés diseñando. Así que, deberías tener las reglas correctas antes de empezar el diseño.

3.5 Generación de Archivos Gerber

Tras completar la verificación, debes convertir el diseño de la placa de circuito en el formato estándar de la industria. Este formato se conoce como Gerber. En este formato, cada capa en la placa de circuito tendrá salidas en diferentes archivos. Seda (silk), ensamblaje (assembly), máscara de soldadura (solder mask), pasta (paste) son las capas. También tendrás que crear un archivo que tenga los detalles de posicionamiento de los componentes. El fabricante usará este archivo cuando operen el colocador automático de componentes. Puedes enviar estos archivos al fabricante de tu elección.

Resumen

Analizamos el proceso de diseño PCB a través de programación de microcontrolador personalizada. Damos una breve introducción al proceso para asegurar que puedas seguir los pasos.

Si necesitas más preguntas sobre programación PCB, puedes contactarnos a tiempo.

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