Fundamentos de Diseño PCB: Reglas Paso a Paso y Herramientas Gratuitas para Placas Confiables

El proceso de diseño de una placa de circuito implica pasos que demandan tiempo y deben seguirse al máximo. No adherirse a las instrucciones a menudo cuesta a los diseños PCB en sus proyectos.

Por eso, hemos delineado reglas, pasos de diseño PCB y varios software de diseño gratuitos que puedes probar para lograr mejor durabilidad, rendimiento y funcionalidad.

¿Qué es el Diseño PCB?

Un diseño de placa de circuito impreso (PCB) es un proceso que implica usar software de layout para combinar enrutamiento y colocación de componentes. Esta combinación define la conectividad eléctrica en el PCB, dándole vida físicamente.

(proceso de diseño de circuito electrónico)

Reglas del Proceso de Diseño PCB

Seguir las reglas correctas de diseño de placa a menudo limita retrasos innecesarios y mantenimiento del PCB, asegurando un PCB de alta velocidad. Aunque concentrarse en el diseño del circuito y selección de componentes es crucial, ignorar las reglas puede costar tu proyecto digital y físicamente.

Entonces, ¿cuáles son algunas reglas durante un diseño para fabricabilidad?

Reglas de Diseño PCB para Circuitos Analógicos

El proceso de layout comprende:

1. Garantizar un camino de retorno claro de la señal analógica y rellenar las vías con trazos cortos y directos de componentes. Los caminos obstruidos causan ruido innecesario ya que la señal analógica de retorno deambula cerca de un plano de tierra al buscar el camino más directo y corto al origen.
2. En segundo lugar, emplear un plano de tierra analógico para separarlo del plano digital, evitando interferencias.
3. En tercer lugar, mantener capas de señal directas y cortas. Esto previene interferencia electromagnética en elementos del PCB debido a discrepancias de impedancia que causan reflexiones a altas frecuencias.
4. Luego, separar secciones en circuitos analógicos y digitales para minimizar ruido. Tampoco rutees divisiones de circuitos analógicos a componentes digitales de alta velocidad, ya que evitará la influencia del ruido.
5. Finalmente, coloca tus componentes analógicos cerca para lograr un enrutamiento directo simplificado y separar circuitos digitales y analógicos.

Comprobación de Reglas de Diseño PCB SMD

Generalmente, mantener un buen espaciado entre componentes electrónicos y pocos números de trazos simplifica el enrutamiento superficial.

(microchip con tecnología de montaje superficial)

Regla sobre opciones de enrutamiento

Primero, el paquete de componente de montaje superficial que elijas influye en la opción de enrutamiento. Además, el espacio de fanout y la complejidad de la ruta pueden afectar tu elección. Por tanto, puedes elegir:

Enrutamiento PCB de una cara; Usado en circuitos simples y restrictivos, debe tener suficiente espacio para taladros, componentes, borde de placa y trazos.

Enrutamiento PCB de doble cara; Aquí, usar las superficies superior e inferior proporciona un área excelente para componentes y enrutamiento.

Regla de selección de componentes

Conoce el tipo de empaquetado correcto para SMD para usar en componentes through-hole o SMD, ya que determina la fabricación de la placa y el ensamblaje PCB.

Consejos para Diseño PCB de 2 Capas

Los fabricantes a menudo crean placas de diseño de circuito de 2 capas con rendimiento limitado. Así, se vuelve desafiante enrutar paquetes BGA como FPGA o microprocesadores de alta gama en la placa de diseño.

Afortunadamente, puedes corregir el desafío siguiendo los consejos a continuación:

1. Primero, no siempre te ciñas a guías estándar. Por ejemplo, usar relleno de cobre puede ser desafiante, contrario a enrutar la potencia como trazos. Además, puedes enrutar tres capacitores con baja inductancia de bucle (sumando 22 µF) en lugar de usar tres capacitores distintos para pines de potencia (1 µF, 10 µF y 0,1 µF).
2. Siempre que sea posible, ten solo un retorno para cada señal digital en todos los conectores para evitar rebote de tierra / ruido de conmutación.

Circuito explicando rebote de tierra

3. También, coloca los capacitores de desacoplo de gran tamaño, como 22 µF MLCC, cerca del pin de potencia del IC. El capacitor puede estar en un cuerpo compacto con voltaje nominal aproximado de 2x el riel de aplicación recomendado.
4. En cuarto lugar, crea una ruta corta en la capa inferior / plano de cobre, a veces empleando correas de retorno para acortar. El procedimiento asegura bajo mantenimiento de la inductancia mutua en el camino de retorno de la señal (integridad de señal aumentada).
5. Además, emplea trazos de señal espaciados y ajuste de componentes para enrutamiento menos congestionado.
6. Luego, ten retorno de tierra y componentes de ruta en la segunda capa mientras las señales y rutas de potencia permanecen en la primera capa. Aquí usarás un plano de tierra duradero debajo de la placa de diseño.
7. Por último, usa taladro de 13 mils de diámetro, trazo de señal de 6 mils (con 1 A de CC) de ancho, y trazo de potencia de 20 mils (soportando 3 A de CC) de ancho. Las características diminutas logran alta densidad de enrutamiento a bajo costo.

Reglas de Diseño PCB de 28 Capas

Las guías en diseños PCB de 28 capas aseguran minimizar el riesgo de errores, reduciendo el costo durante la fabricación de la placa. Ten en cuenta que los fabricantes tienen requisitos variables. Por tanto, la regla de placa de alta potencia también puede variar en términos de aislamiento de potencia, tamaño de trazos y espaciado.

Reglas de Cableado de Componentes

Las propiedades eléctricas son las siguientes:

1. Asegúrate que la línea de señal no aparezca en bucle, y las líneas de tierra y potencia sean radiales.
2. En segundo lugar, la apertura debe ser 40 mils mientras el pad debe ser 60 mils en doble en línea.
3. Además, el componente through-hole no debe ser menor a 30 mils.
4. Luego, el espaciado de líneas debe ser mayor a 10 mils, salida y entrada CPU > 8/10 mils, cable de potencia > 18 mils (muy ancho), y línea de señal > 12 mils.
5. Finalmente, dibuja tu cableado donde el área de cableado esté dentro de 1 mm alrededor del orificio de montaje y ≤ 1 mm del borde de la placa de circuito.
6. Diseño PCB de 4 capas

Un diseño esquemático PCB de 4 capas tiene trazos de potencia/señales + formas, GND de referencia, VOUT/VIN dividido, y GND de potencia. Inunda áreas no usadas con capa de cobre de Vout, Vin y GND. Luego, conecta todos los pads de alimentación a la capa superior.

Guía Paso a Paso de Diseño PCB

Como diseñador PCB, usa el método de ensamblaje en la guía para alcanzar una meta de diseño de calidad para tu placa PCB.

• Siempre comprende los parámetros eléctricos de tu sistema de layout de placa, ej., limitaciones de capacitancia, circuitos integrados, voltajes, etc.
• En segundo lugar, crea un diagrama esquemático donde diseñarás el PCB a nivel eléctrico de su función/propósito.
• Luego, crea un layout PCB con herramienta de captura esquemática como Altium Designer. Mostrará dónde colocar componentes y la operación de la placa en un dispositivo destinado.
• Después, diseña tu stack-up PCB ya que determinará la impedancia (qué tan rápido/mucho viaja la electricidad por un trazo PCB).
• Quintamente, define requisitos y reglas de diseño a través de criterios de aceptabilidad y estándares IPC. Además, puedes encontrar un proveedor de placas de circuito con conocimiento de reglas estándar para limitar retrasos de proyecto y revisiones constantes.
• Ahora, coloca suavemente los componentes usando una hoja de datos de cada uno usando soldadura fundida. Luego, puedes proceder con la colocación mediante layout mecánico y diseño PCB.

(componentes electrónicos)

• Inserta orificios de taladro según conexión y componentes. La mitad de los circuitos flex tienen doble cara, lo que significa que conectan al orificio de taladro en la capa inferior.

(circuito flexible)

• Más tarde, enruta los trazos individuales después de colocar los orificios de taladro y componentes como componentes pasivos. Luego, incluye marcas, etiquetas e identificadores en el layout de la placa para mostrar dónde están componentes particulares en la placa.
• Por último, genera tus archivos de layout/diseño cuando el contorno de la placa esté completo. Ahora estás oficialmente listo para ensamblaje PCB, fabricación y manufactura (de concepto a producción).

Mejor Software Gratuito de Diseño PCB

Esta sección contiene una lista compilada de software/herramientas legítimas y gratuitas de diseño de placas de circuito para aficionados.

Son las siguientes:

1. DipTrace; Es un software de diseño con característica fácil de usar que no compromete su funcionalidad. Además, es ideal para todos los niveles de aprendizaje y puede operar en sistemas como Linux, Mac y Windows.
2. EasyEDA; Además de ser gratuito, EasyEDA proporciona colaborador de equipo, herramienta de gestión de proyectos, diseñador de librerías, editor PCB y captura esquemática potente. También tiene funcionalidad sin restricciones (funcionando tanto offline como online) y puede trabajar en Linux, Mac y Windows.

EasyEDA

3. CircuitMaker; Te permite diseñar sin restricciones en dimensiones PCB y hasta 16 capas de plano + 16 señales. Puede ayudar en comprobación de reglas de diseño, visualización 3D nativa y enrutamiento avanzado. Sin embargo, solo funciona en Windows.
4. Autodesk Eagle; La herramienta de diseño tiene editor de layout PCB para diseñar PCBs y editor esquemático que diseña diagramas de circuito. Además de estar disponible en Mac, Linux y Windows, tiene características como contenido de librería completo, enrutamiento PCB, colocación de componentes, etc.
5. Osmond PCB; Es el único software de diseño EDA basado en MAC y soporta diseño de layout PCB y captura esquemática. Además, puede diseñar placas con hasta 700 pines y tiene múltiples capas de placa y tamaños de placa ilimitados.
6. Fritzing; Es una herramienta ideal de diseño PCB para varios recursos educativos porque soporta circuitos simples con software para traducir diseños a PCBs, stripboards soldados o protoboards sin soldadura.
7. KiCad; KiCad es un popular programa de diseño de código abierto que se vincula con FreeCAD para diseño físico, soporta GitHub para control de versiones e integra simulación de circuito (Ngspice). A pesar de tener una estructura de librería algo anticuada, tiene una potente suite de funcionalidad y características para expertos y principiantes.
8. Editor de Layout Gráfico Fácilmente Aplicable (EAGLE); Es un programa de diseño EDA que ofrece a diseñadores contenido de librería completo, enrutamiento PCB, colocación de componentes, etc. Además, puede guardar archivos de taladro Sieb & Myer y Excellon, además de archivos de layout PostScript y Gerber.

Conclusión

En resumen, hemos delineado algunas reglas de diseño PCB y proporcionado una lista de herramientas de software. Sin embargo, podríamos haber pasado por alto algunos desafíos de diseño. Por tanto, si necesitas ayuda, contáctanos hoy y te conectaremos con un experto en ingeniería de nuestro equipo para asistencia.