Domina PCBs de Alta Velocidad: Guía Completa de Diseño

Indudablemente, la mayoría de proyectos de ingeniería regulares usan diseño PCB estándar. Los PCBs tradicionales no sirven para todo. Si tratas una aplicación avanzada, necesitarás un PCB de alta velocidad.

Sin embargo, diseñar PCBs de alta velocidad puede ser complicado. Debes prestar atención a detalles como integridad de señal, reflexiones y diafonía (crosstalk). Si no conoces estos términos, este artículo es para ti.

Aprenderás todo sobre PCBs de alta velocidad y reglas de diseño. También compararemos con PCB de alta frecuencia.

Empecemos.

¿Qué es un PCB de Alta Velocidad?

Sistema Alta Velocidad

Los PCBs de alta velocidad usan señales de alta velocidad para transferir datos entre componentes. Las señales viajan por trazas de cobre hasta sus destinos. La señal puede ser analógica o digital.

Hay poca diferencia entre alta velocidad y placas estándar. Primero debes saber: lo que clasifica un sistema como "alta velocidad" son las tasas de flanco de señal del sistema. Si es rápido, es PCB alta velocidad. La tasa de flanco separa alta velocidad de estándar.

También consideramos cualquier PCB con alta integridad de señal como alta velocidad. Otros indicadores: front-ends RF para redes inalámbricas.

La mayoría de diseños alta velocidad se centran en diseños interconectados, stack-up PCB y enrutamiento. La tercera área no será problema si aciertas en las dos primeras.

Aplicaciones PCB Alta Velocidad

Múltiples PCBs

Los PCBs alta velocidad funcionan en casi toda aplicación. Algunas:

• Sistemas comunicación de red: verificación integridad señal.
• Tableros prueba digital alta velocidad: test señales incluyendo roll-off RF.
• Electrónica consumo potente con alto volumen y tiempo-reducción al mercado.
• Circuitos radio con alta exigencia control impedancia.
• Equipos médicos requiriendo operaciones alta velocidad.

Otros productos: routers, canales datos alta velocidad, servidores, amplificadores potencia, redes almacenamiento, módulos transceptor.

Reglas y Desafíos Diseño PCB Alta Velocidad

Placa Circuito Impreso

Como todo proceso diseño PCB, alta velocidad tiene reglas. Veremos algunas en detalle y examinaremos desafíos.

Impedancia

Dos valores impedancia al diseñar layout PCB alta velocidad: impedancia single-ended Zo e impedancia diferencial Zdiff.

Valores comunes para interfaces paralelas y series. Mantener impedancia correcta es esencial. De lo contrario, trazas PCB tendrán reflexiones de señal.

Impedancia incorrecta causa pérdida calidad señal, baja frecuencia trabajo y genera EMI insoportable.

Otros tipos impedancia (raros): Common ZCM, Even mode Zoe, Odd mode zoo.

Tierra (Grounding)

En la mayoría diseños alta velocidad, imposible trazar todas interfaces en una capa. Necesitas vias para transferir trazas a múltiples capas. Reglas específicas gobiernan esto.

• Diseños deben tener mismo potencial polígono GND en todas capas, especialmente cerca vias de señal. Llamamos vias GND "stitching vias", deben estar lo más cerca posible del polígono GND. Esto asegura que todas trazas alta velocidad tengan misma referencia GND.
• Cuidado al diseñar vias. Diseño pobre causa problemas impedancia. Evítalo asegurando diámetros correctos.
• Usar vias para enrutamiento señales alta velocidad es delicado. Debes dejar suficiente espacio entre vias para evitar alta densidad corriente y sobrecalentamiento.

Diafonía (Crosstalk)

Diafonía es cualquier efecto no deseado al transmitir señales sobre pista comunicación. Efectos suelen estar en pistas vecinas y causan cambio de señal.

Sucede cuando pistas corren muy cerca. Reduce diafonía dejando al menos 3W espacio entre pistas.

Para pares diferenciales, usa regla 5W para espaciar correctamente. Si tu placa requiere par diferencial transmitiendo señales periódicas, recomendamos mantenerlo al menos 8W lejos de otros pares diferenciales.

Debe haber suficiente distancia entre pistas con señales asíncronas y pistas alta velocidad. Minimiza diafonía en placas multicapa enrutando pistas perpendiculares a pistas de capa vecina.

Ubicación Componentes

PCB con Componentes

Ubicación componentes es esencial en diseños alta velocidad. Antes de empezar, planifica dónde colocar componentes.

Idealmente, coloca polígono GND separado para componentes analógicos (si los hay) y mantenlos lejos de trazas y componentes digitales. Así evitas problemas EMI.

Componentes alta velocidad no necesitan trazas muy largas. Asegura espacio suficiente para ajuste longitud (length tuning) para que no estén cerca de fuentes interferencia.

Evita posicionar componentes alta velocidad cerca del borde de placa. Afecta adversamente calidad señal. Mejor colocarlos hacia el centro.

Forma Trazas (Track Shape)

Diferentes Formas Trazas

Trazas alta velocidad deben tener esquinas redondeadas y suaves. Evita giros bruscos. Lograr forma óptima lleva tiempo.

Mejor forma para forma óptima y evitar cambios impedancia: doblar en ángulos de 45 grados.

Los Tres Grandes Problemas Diseños PCB Alta Velocidad

Muchos problemas podrían hacer circuito inútil si no se resuelven. Tres mayores a evitar:

Tiempo (Timing)

Tu placa tiene problemas timing si señales no transmiten correctamente, especialmente comparadas con otras. Un reloj controla todas. Si timing es malo, solo recibirás datos corruptos.

Solución: igualar longitudes de dos trazas acopladas. Sincronizará trazas con tasas reloj y transmitirán mismo tiempo.

Ruido (Noise)

Ruido es cualquier interferencia afectando señales durante transmisión. Hay algo de ruido en todo PCB, pero nivel alto causa corrupción datos. Problema a evitar.

Solución: mantén suficiente distancia entre trazas, haciéndolas menos susceptibles a ruido. Distancia adecuada reduce nivel ruido del PCB.

Integridad

Si señales no se ven como deberían tras transmisión, integridad comprometida. Resultado de interferencia afectando integridad durante transmisión.

Solución: usar impedancia adecuada entre receptor y transmisor mejora integridad y calidad señal. También reduce sensibilidad al ruido.

Habilidades Diseño PCB Alta Velocidad

Diseño PCB

Habilidades necesarias antes de diseñar PCB alta velocidad:

Cómo Enrutar Trazas con Control Impedancia

PCB con Trazas Azules

Debes entender cómo calcular stack de capas y ancho traza. Resultados dan valores impedancia esenciales. Valores incorrectos afectan adversamente señal y causan corrupción datos.

Minimización Área Bucle (Loop Area Minimization)

Señales alta velocidad son susceptibles a problemas EMI/EMC. Reduce impacto siguiendo reglas básicas: reducir áreas bucle, usar planos tierra continuos y muchas stitching vias, optimizar caminos retorno trazas.

Habilidades Enrutamiento Alta Velocidad

Muchas cosas al enrutar trazas alta velocidad. Primero, saber cortar planos tierra y mantener trazas cortas. También blindar trazas de interferencia y espaciar líneas digitales para evitar diafonía.

Usar Software Diseño Avanzado

Diseñar PCBs alta velocidad requiere muchas funciones complejas de tu software CAD. Necesitas habilidad para manejarlas. Así evitas esquemáticos alta velocidad terribles.

PCB Alta Velocidad vs PCB Alta Frecuencia

Placa Circuito Impreso

Aunque definiciones difieren, sus placas son esencialmente iguales. Ambas usan onda senoidal como portadora señales moduladas.

Diferencias leves: circuitos alta velocidad cuando voltaje sube/baja en periodos cortos. Placas alta frecuencia con ciclos circuito cortos.

Diferencias no son tan distintas para separarlas. Usan mismos materiales base. Enfócate en mantener integridad señal de tu circuito.

Resumen

PCB Alta Tecnología

Muchas cosas pueden salir mal si no eres cuidadoso diseñando PCBs alta velocidad. A diferencia de PCBs regulares, necesitas mucho tiempo y atención desarrollando esquema circuito alta velocidad adecuado.

Necesitas habilidades específicas antes de diseñar: saber enrutar trazas correctamente y medir impedancia. También vigilar colocación componentes para no complicar a fabricantes.

¿Quieres fabricar PCB alta velocidad? Contáctanos, ofreceremos mejor asesoría y servicios.