Respuestas expertas rápidas a preguntas esenciales de diseño de PCB

P1: ¿Cómo elegir material de PCB (Placa de Circuito Impreso)?

R1: El material de PCB debe seleccionarse totalmente basado en el equilibrio entre demanda de diseño, producción en volumen y costo. La demanda de diseño involucra elementos eléctricos que deben tomarse en consideración seria durante el diseño de PCB de alta velocidad. Además, la constante dieléctrica y la pérdida dieléctrica deben considerarse si van con la frecuencia.

P2: ¿Cómo evitar interferencia de alta frecuencia?

R2: El principio principal para superar la interferencia de alta frecuencia es reducir la diafonía (crosstalk) tanto como sea posible, lo cual puede lograrse ampliando la distancia entre señales de alta velocidad y señales analógicas o equipando guardas de tierra o pistas de derivación (shunt traces) junto a señales analógicas. Además, la interferencia de ruido causada por tierra digital en tierra analógica debe considerarse cuidadosamente.

P3: ¿Cómo organizar pistas que llevan señales diferenciales?

R3: Dos puntos deben enfocarse en términos de diseño de pistas que llevan señales diferenciales. Por un lado, la longitud de las dos líneas debe ser la misma; por el otro, el espaciado entre las dos líneas debe mantenerse paralelo.

P4: ¿Cómo organizar pistas que llevan señales diferenciales cuando solo hay una línea de señal de reloj en el terminal de salida?

R4: La premisa del arreglo de pistas que llevan señales diferenciales es que tanto las fuentes de señal como el extremo receptor deben ser señales diferenciales. Por lo tanto, el ruteo diferencial nunca puede funcionar en señales de reloj que contienen solo un extremo de salida.

P5: ¿Se puede agregar resistencia de adaptación entre pares diferenciales en el extremo receptor?

R5: La resistencia de adaptación generalmente se agrega entre pares diferenciales en el extremo receptor y su valor es igual al de la impedancia diferencial. Como resultado, la calidad de la señal será mejor.

P6: ¿Por qué las pistas de par diferencial deben estar cerca y paralelas?

R6: Las pistas de par diferencial deben estar apropiadamente cerca y paralelas. La distancia entre pistas de par diferencial está determinada por la impedancia diferencial que es un parámetro de referencia clave en términos de diseño de par diferencial.

P7: ¿Cómo resolver los conflictos entre ruteo manual y auto-ruteo en señales de alta velocidad?

R7: Ahora la mayoría de los auto-routers pueden controlar el método de ruteo de alambres y el número de agujeros pasantes estableciendo condiciones de restricción. Todas las empresas EDA difieren mucho entre sí en términos de métodos de ruteo de alambres y configuración de condiciones de restricción. La dificultad del auto-ruteo está estrechamente relacionada con la capacidad de ruteo de alambres. Por lo tanto, este problema puede resolverse eligiendo un router con alta capacidad de ruteo de alambres.

P8: En el diseño de PCB de alta velocidad, el área en blanco de las capas de señal puede recubrirse con cobre. ¿Cómo debe distribuirse el cobre en múltiples capas de señal en tierra y potencia?

R8: Generalmente, el recubrimiento de cobre se conecta principalmente con la tierra en el área en blanco. La distancia entre el recubrimiento de cobre y las líneas de señal debe diseñarse estrictamente porque el cobre recubierto reducirá un poco la impedancia característica. Mientras tanto, la impedancia característica de otras capas no debe verse influenciada.

P9: ¿Se puede calcular la impedancia característica en el plano de potencia mediante el modelo de microstrip? ¿Puede usarse el modelo de microstrip en señales entre el plano de potencia y el plano de tierra?

R9: Sí. Durante el procedimiento de cálculo de impedancia característica, tanto el plano de potencia como el plano de tierra pueden considerarse como un plano de referencia.

P10: ¿Pueden los puntos de prueba generados mediante automatización en PCB de alta densidad cumplir con las demandas de prueba de producción masiva?

R10: Todo depende del caso de si las regulaciones sobre puntos de prueba son compatibles con el requisito establecido por las máquinas de prueba. Además, si el ruteo se ejecuta demasiado densamente y las regulaciones sobre puntos de prueba son muy estrictas, puede que no haya forma de poner puntos de prueba en cada segmento de línea. Por supuesto, se pueden usar métodos manuales para complementar puntos de prueba.

P11: ¿Puede la adición de puntos de prueba influir en la calidad de señales de alta velocidad?

R11: Todo depende del caso de si el método de adición de puntos de prueba y la velocidad de ejecución de las señales. Básicamente, agregar puntos de prueba se obtiene agregándolos a las líneas o sacando un segmento. Ambos métodos pueden afectar más o menos a las señales de alta velocidad y el alcance del efecto está relacionado con la velocidad de frecuencia y la tasa de borde de las señales.

P12: Cuando un par de PCBs se conectan en un sistema, ¿cómo deben conectarse las líneas de tierra de cada PCB?

R12: Basado en la ley de corriente de Kirchhoff, cuando la potencia o señales se envían de la Placa A a la Placa B, una cantidad equivalente de corriente será devuelta a la Placa A desde el plano de tierra y la corriente en el plano de tierra fluirá de vuelta por el camino donde la impedancia es la más baja. Por lo tanto, el número de pines contribuidos al plano de tierra nunca debe ser demasiado pequeño en cada interfaz de interconexión de potencia o señal para que tanto la impedancia como el ruido en la tierra puedan reducirse. Además, todo el bucle de corriente debe analizarse, especialmente la porción donde la corriente es la mayor y la conexión del plano de tierra o líneas de tierra debe ajustarse para controlar la corriente en funcionamiento y disminuir la influencia en otras señales sensibles.

P13: ¿Se pueden agregar líneas de tierra en medio de líneas de señal diferencial?

R13: Básicamente, las líneas de tierra no pueden agregarse entre líneas de señal diferencial porque la mayor significancia del principio de línea de señal diferencial radica en la ventaja liderada por el acoplamiento mutuo entre líneas de señal diferencial, como cancelación de flujo, inmunidad al ruido, etc. El efecto de acoplamiento se destruirá si se agregan líneas de tierra entre ellas.

P14: ¿Cuál es el principio para elegir PCB adecuado y punto de puesta a tierra de la carcasa?

R14: El principio es aprovechar la tierra del chasis para proporcionar un camino de baja impedancia a la corriente de retorno y controlar el camino de esta corriente de retorno. Por ejemplo, un tornillo puede usarse normalmente cerca de un componente de alta frecuencia o generador de reloj para conectar el plano de tierra de la PCB con la tierra del chasis para reducir el área total del bucle de corriente tanto como sea posible, es decir, reducir la interferencia electromagnética.

P15: ¿Dónde debería comenzar la depuración de PCB?

R15: En lo que respecta al circuito digital, se deben hacer las siguientes cosas en orden. Primero, todos los valores de potencia deben confirmarse para lograr promediadamente el requisito de diseño. Segundo, todas las frecuencias de señal de reloj deben confirmarse para funcionar normalmente y no hay problema no monotónico en el borde. Tercero, las señales de reinicio deben confirmarse para lograr el requisito estándar. Si las cosas anteriores se han confirmado, el chip debería enviar señales en el primer ciclo. Luego, la depuración se llevará a cabo basada en el protocolo de ejecución del sistema y el protocolo de bus.

P16: ¿Cuál es la mejor manera para el diseño de PCB de alta velocidad y alta densidad con área de placa fija?

R16: En el proceso de diseño de PCB de alta velocidad y alta densidad, la interferencia de diafonía debe enfocarse especialmente ya que afecta grandemente el timing y la integridad de la señal. Se dan algunas soluciones de diseño. Primero, la continuidad y adaptación de la impedancia característica del ruteo debe controlarse. Segundo, el espaciado debe notarse y el espaciado es normalmente el doble del ancho de línea. Tercero, los métodos de terminación adecuados deben elegirse. Cuarto, el ruteo en capas adyacentes debe implementarse en direcciones diferentes. Quinto, las vías ciegas/enterradas pueden usarse para aumentar el área de ruteo. Además, la terminación diferencial y de modo común deben mantenerse para reducir la influencia en el timing y la integridad de la señal.

P17: El circuito LC se suele aplicar para filtrar onda en potencia analógica. ¿Por qué LC a veces funciona mejor que RC?

R17: La comparación entre LC y RC debe basarse en la suposición de si la banda de frecuencia y la inductancia son seleccionadas adecuadamente. Porque la reactancia de la inductancia está correlacionada con la inductancia y la frecuencia, si la frecuencia de ruido de la potencia es demasiado baja y la inductancia no es lo suficientemente alta, LC funciona peor que RC. Sin embargo, una de las desventajas de RC radica en el hecho de que el resistor en sí consumirá energía con baja eficiencia.

P18: ¿Cuál es la forma óptima de lograr el requisito EMC sin presión de costo?

R18: La placa PCB sufre un costo más alto debido a EMC usualmente porque el conteo de capas sube para fortalecer el estrés de blindaje y algunos componentes se preparan como cuentas de ferrita o choke que se usan para detener componentes armónicos de alta frecuencia. Además, otras estructuras de blindaje en otros sistemas deben usarse para satisfacer las demandas de EMC. Primero, los componentes con baja tasa de subida (slew rate) deben aplicarse tanto como sea posible para disminuir las porciones de alta frecuencia generadas por las señales. Segundo, los componentes de alta frecuencia nunca deben colocarse demasiado cerca de conectores exteriores. Tercero, la adaptación de impedancia, capa de ruteo y camino de corriente de retorno de señales de alta velocidad deben diseñarse cuidadosamente para reducir la reflexión y radiación de alta frecuencia. Cuarto, capacitores de desacoplo suficientes deben colocarse en pines de potencia para reducir el ruido en el plano de potencia y plano de tierra. Quinto, la tierra cerca del conector exterior puede separarse del plano de tierra y la tierra del conector debe estar cerca de la tierra del chasis.

P19: Cuando una placa PCB presenta múltiples módulos digitales/analógicos, la solución ordinaria es dividir módulos digitales/analógicos. ¿Por qué?

R19: La razón para dividir módulos digitales y analógicos es que el ruido usualmente se genera en potencia y tierra en la conmutación de potencial alto y bajo y el alcance del ruido está relacionado con la velocidad de la señal y la cantidad de corriente. Si los módulos analógicos y digitales no se dividen y el ruido generado por el módulo digital es mayor y el circuito en el área analógica es similar, incluso si las señales analógicas y digitales no se cruzan, las señales analógicas aún serán afectadas por el ruido.

P20: Cuando se trata de diseño de PCB de alta velocidad, ¿cómo debe implementarse la adaptación de impedancia?

R20: En lo que respecta al diseño de PCB de alta velocidad, la adaptación de impedancia es una de las consideraciones principales. La impedancia presenta una relación absoluta con el ruteo. Por ejemplo, la impedancia característica está determinada por un par de elementos incluyendo el espaciado entre microstrip o stripline/doble stripline y capa de referencia, ancho de ruteo, material de PCB, etc. Dicho de otra manera, la impedancia característica nunca puede determinarse hasta el ruteo. La solución esencial para este problema es detener la discontinuidad de impedancia de ocurrir tanto como sea posible.

P21: En el proceso de diseño de PCB de alta velocidad, ¿qué medidas deben tomarse en consideración de EMC/EMI?

R21: En general, el diseño EMI/EMC debe considerarse desde ambos aspectos radiado y conducido. El primero pertenece a la porción cuya frecuencia es más alta (más de 30MHz) mientras que el segundo a la porción cuya frecuencia es más baja (menos de 30MHz). Por lo tanto, tanto la porción de alta frecuencia como la de baja frecuencia deben notarse. Un buen diseño EMI/EMC debe comenzar desde la colocación de componentes, apilamiento de PCB, ruteo, selección de componentes, etc. Una vez que esos aspectos dejan de considerarse, el costo posiblemente subirá. Por ejemplo, el generador de reloj no debe estar cerca del conector exterior tanto como sea posible. Además, los puntos de conexión deben seleccionarse adecuadamente entre la PCB y el chasis.

P22: ¿Qué es la topología de ruteo?

R22: La topología de ruteo, también llamada orden de ruteo, se refiere al orden de ruteo en términos de red con múltiples terminales.

P23: ¿Cómo debe ajustarse la topología de ruteo para aumentar la integridad de la señal?

R23: Este tipo de señales de red es tan complejo que la topología es diferente basada en diferentes direcciones, diferentes niveles, diferentes tipos de señales. Por lo tanto, es difícil juzgar qué tipo de señales es beneficioso para la calidad de la señal.

P24: ¿Cuál es la razón del recubrimiento de cobre?

R24: Generalmente hay un par de razones para el recubrimiento de cobre. Primero, el recubrimiento masivo de cobre de tierra o potencia tendrá efecto de blindaje y algunas tierras especiales, PGND por ejemplo, pueden tener un papel de protección. Segundo, para asegurar alto rendimiento de electroplateado o detener la laminación de ser deformada, el cobre debe recubrirse en la placa PCB con menos ruteo. Tercero, el recubrimiento de cobre deriva del requisito en integridad de la señal. Un camino de retorno completo debe proporcionarse a señales digitales de alta frecuencia y el ruteo de red DC debe reducirse. Además, la disipación térmica también debe tomarse en consideración.

P25: ¿Qué es la corriente de retorno (return current)?

R25: A medida que las señales digitales de alta velocidad están corriendo, las señales fluyen desde los drivers al portador a lo largo de la línea de transmisión de PCB y luego retornan al terminal del driver a través del camino más corto a lo largo de tierra o potencia. Las señales de retorno en tierra o potencia se llaman corriente de retorno.

P26: ¿Cuántos tipos de terminales hay?

R26: Terminal, también llamado adaptación (matching), usualmente se clasifica en adaptación de fuente y adaptación de terminal. El primero se refiere a adaptación de resistor en serie mientras que el segundo se refiere a adaptación en paralelo. Hay muchos métodos disponibles, incluyendo resistor pull-up, pull-down, adaptación Davenan, adaptación AC, adaptación diodo Schottky, etc.

P27: ¿Qué elementos pueden determinar los tipos de adaptación?

R27: El tipo de adaptación usualmente se determina por características de BUFFER, topología, clasificaciones de nivel y tipo de juicio. Además, el ciclo de trabajo de la señal y el consumo de energía del sistema tienen que considerarse también.

P28: ¿Qué inspección debe llevarse a cabo en la PCB antes de que sea liberada por la fábrica de fabricación?

R28: La mayoría de los fabricantes de PCB implementan prueba de continuidad (on-off test) en las PCBs antes de que salgan de la fábrica para asegurar que todos los circuitos estén correctamente conectados. Hasta ahora, algunos fabricantes avanzados realizan inspección de rayos X para encontrar obstáculos en el grabado o laminación. Cuando se trata de productos que pasan por ensamblaje SMT, usualmente se aplica ICT, lo que requiere puntos de prueba ICT durante la fase de diseño de PCB. Tan pronto como ocurren problemas, un tipo especial de inspección de rayos X también puede usarse.

P29: Para un circuito compuesto por un par de placas de PCB, ¿deben compartir la misma tierra?

R29: Un circuito compuesto por un par de placas de PCB normalmente debe compartir la misma tierra porque es impráctico aplicar un par de potencias en un solo circuito. Por supuesto, si sus condiciones lo permiten, se pueden usar diferentes potencias también. Después de todo, eso ayudará a reducir la interferencia.

P30: ¿Cómo debe considerarse la ESD por un sistema que contiene DSP y PLD?

R30: En lo que respecta a sistemas ordinarios, las porciones deben considerarse primero con contacto directo con humanos y protecciones adecuadas deben hacerse en el circuito y estructuras. El alcance de la influencia que ESD trae hacia el sistema usualmente se determina según diferentes situaciones. En ambiente seco, la ESD se volverá peor, especialmente en el sistema que es más sensible. Aunque los sistemas más grandes presentan efecto no obvio en ESD, más atención también debe prestarse.

P31: Cuando se trata de un diseño de PCB de 4 capas, ¿qué lado debe recibir recubrimiento de cobre en ambos lados?

R31: Los siguientes aspectos deben tomarse en consideración para el recubrimiento de cobre: blindaje, disipación térmica, refuerzo y demanda de fabricación de PCB. Por lo tanto, la razón principal debe considerarse. Por ejemplo, en términos de diseño de PCB de alta velocidad, el blindaje debe ser lo más considerado. La puesta a tierra en superficie es beneficiosa para EMC y el recubrimiento de cobre debe hacerse completamente en caso de isla solitaria. En general, si los componentes en la superficie reciben demasiado ruteo, será difícil mantener el cobre completo. Por lo tanto, se sugiere que las placas con muchos componentes en superficie o mucho ruteo no sean recubiertas con cobre.

P32: En el proceso de ruteo de reloj, ¿es necesario agregar blindaje de tierra en ambos lados?

R32: Depende de la diafonía o EMI de la placa. Si las líneas de tierra de blindaje no se procesan adecuadamente, traerán efectos malos por el contrario.

P33: ¿Cuál es la estrategia de ruteo de reloj para señales a diferentes frecuencias?

R33: En términos de ruteo para líneas de reloj, el análisis de integridad de señal debe realizarse primero y los principios de ruteo deben manipularse. Luego es el momento de implementar el ruteo basado en los principios.

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