Principales errores de diseño de PCB que los ingenieros deben evitar

Los errores de ingeniería nunca pueden evitarse por completo. No sea ingenuo al creer que esos errores representan un nivel bajo o ausencia de excelencia en la capacidad de diseño de PCB. Sin embargo, la mayoría de los errores que cometen los ingenieros derivan de sus consideraciones excesivas en términos de eficiencia del sistema, integridad de señal, bajo consumo energético y ahorro de costes. Dicho de otro modo, esos errores resultan de la "buena intención". Por tanto, la conciencia sobre esa "buena intención" y la evitación oportuna de esos errores es muy beneficiosa para la implementación fluida de sus proyectos.

Eficiencia del sistema

Error 1: Cambio aleatorio de CPU

Algunos ingenieros observan que una CPU con frecuencia base de 100 MHz tiene una capacidad de procesamiento de solo el 70% y desean cambiarla por una de 200 MHz. De hecho, la capacidad de procesamiento del sistema involucra todo tipo de elementos y en el campo de las comunicaciones, la dificultad siempre ocurre en la memoria, lo que significa que, a pesar de la alta velocidad de la CPU, sigue siendo un esfuerzo desperdiciado con acceso externo a baja velocidad.

Error 2: Caché más grande conduce a mayor velocidad del sistema

La mejora de la caché no necesariamente conduce a un alto rendimiento del sistema y a veces la desactivación de la caché conduce a una mayor velocidad del sistema que su aplicación, porque los datos que se mueven a la caché deben obtener múltiples aplicaciones a menos que la eficiencia del sistema aumente. Por tanto, generalmente solo se abre la caché de instrucciones, mientras que la caché de datos solo se limita a un espacio de almacenamiento parcial incluso si se abre.

Error 3: Creer que la interrupción es más rápida que la consulta

La interrupción tiene fuerte instantaneidad pero no es necesariamente rápida. Si hay demasiadas misiones de interrupción, el sistema se romperá pronto como resultado de la discontinuidad de las misiones de interrupción. Si hay muchas tareas frecuentes, muchos esfuerzos de la CPU se gastarán en el coste de las interrupciones, por lo que la eficiencia del sistema será extremadamente lenta. Si se aplica consulta en su lugar, la eficiencia del sistema mejorará enormemente. Sin embargo, a veces la consulta no cumple el requisito de instantaneidad, por lo que el mejor método es aplicar consulta en el proceso de interrupción.

Error 4: La secuencia temporal en interfaces de memoria no necesita modificación

El valor predeterminado en las interfaces de memoria está determinado por los parámetros más conservadores y en la aplicación práctica, debe modificarse razonablemente de acuerdo con la frecuencia de operación del bus y el período de espera. A veces, la disminución de la frecuencia puede mejorar la eficiencia.

Error 5: Más CPUs ayudarán a aumentar la capacidad de procesamiento

A menudo se dice que dos cabezas piensan mejor que una. Para las CPUs, no suele ser cierto. El número de CPUs no puede determinarse hasta que se produzca una comprensión completa del sistema, ya que la coordinación entre CPUs puede costar mucho.

Integridad de señal

Error 1: Confianza excesiva en datos de simulación

La simulación nunca puede ser igual al objeto práctico y pueden ocurrir diferencias entre los mismos productos incluso en el mismo lote. Además, la simulación no tiene en cuenta todas las posibilidades, especialmente el crosstalk. Por tanto, el resultado de la simulación solo puede considerarse como una referencia.

Error 2: El flanco de señal digital debe ser lo más empinado posible

Cuanto más empinado es el flanco, más amplio será el rango espectral y más energía habrá en la parte de alta frecuencia. Mientras tanto, más radiación producirán las señales de alta frecuencia y interferirán fácilmente con otras señales con mala calidad de transmisión en los cables. Por tanto, se deben aplicar chips de baja velocidad en la medida de lo posible.

Error 3: El condensador de desacoplo debe ser lo más numeroso posible

En general, cuantos más condensadores de desacoplo haya, más estable será la alimentación. Sin embargo, demasiados condensadores también conducirán a algunas desventajas como desperdicio de coste, enrutado difícil y corriente de impulso de alimentación demasiado grande. La clave del diseño de capacitancia de desacoplo radica en la selección y colocación correctas.

Consumo energético

Error 1: Ignorar el problema de consumo energético en caso de alimentación 220V

El propósito del diseño de bajo consumo energético no solo radica en el ahorro de energía, sino también en la disminución del coste del módulo de alimentación y del sistema de disipación de calor. Es obviamente insuficiente considerar la alimentación al tratar problemas de consumo energético, ya que este está determinado principalmente por la cantidad de corriente y la temperatura de los componentes.

Error 2: Todas las señales de bus deben ser tiradas por resistencias

A veces, las señales necesitan ser tiradas por resistencias pero no todas. La corriente consumida cuando una señal pura es tirada hacia arriba o abajo es solo de decenas de microamperios, mientras que la corriente consumida para tirar hacia arriba o abajo de una señal conducida alcanza el nivel de miliamperio. Si todas las señales son tiradas por resistencias, más energía tiene que consumirse en las resistencias.

Error 3: Dejar interfaces I/O sin usar sin utilizar

Las interfaces I/O sin usar en CPU y FPGA posiblemente se conviertan en señales de entrada con oscilaciones repetidas cuando sufren incluso una pequeña interferencia del entorno externo. Además, el consumo energético de componentes MOS depende básicamente de los tiempos de inversión del circuito de compuerta. Por tanto, la mejor solución es configurar esas interfaces como salida que no deben conectarse con señales con drivers.

Error 4: No considerar el consumo energético de chips pequeños

Es difícil determinar el consumo energético de chips relativamente simples dentro del sistema, ya que este generalmente se determina por la corriente en los pines. Por ejemplo, el consumo de potencia de ABT16244 es inferior a 1 mA sin carga. Sin embargo, cada pin es capaz de conducir una carga de 60 mA, lo que significa que el consumo energético máximo con cargas completas puede alcanzar 960 mA. Ocurre una enorme diferencia de consumo energético.

Error 5: El overshoot puede eliminarse mediante un matching excelente

El overshoot existe en casi todas las señales excepto algunas señales especiales como 100BASE-T o CML. El matching no es necesario mientras no sea tan grande. Se despiertan requisitos extremadamente altos por el matching. Por ejemplo, la impedancia de salida de TTL es inferior a 50 Ω, algunos incluso 20 Ω y si se implementa un matching tan grande en ella, la corriente se volverá tan grande que el consumo energético no lo aceptará. Además, la amplitud de la señal será tan pequeña que no podrá usarse de nuevo. Por cierto, la impedancia de salida no es la misma cuando las señales ordinarias emiten nivel alto y nivel bajo y el matching perfecto nunca puede obtenerse. Por tanto, el matching entre señales como TTL, LVDS y 422 puede ser aceptable para el overshoot, que es la mejor solución.

Error 6: Los problemas de consumo energético se atribuyen solo al hardware

En un sistema, el hardware es responsable de establecer un escenario mientras que el software juega un papel significativo en la obra. Cada visita a chip e inversión de cada señal están casi controladas por software. La implementación de medidas adecuadas contribuirá mucho a la disminución del consumo energético.

Ahorro de costes

Error 1: Ignorar la precisión de resistencias pull-up/pull-down

Algunos ingenieros no creen que la precisión de resistencia de resistencias pull-up/pull-down importe. Por ejemplo, tienden a elegir aleatoriamente 5K, ya que es fácil de calcular. De hecho, sin embargo, la resistencia de 5K no existe en el mercado de componentes y la más cercana es 4,99K (precisión 1%) y 5,1K (precisión 5%), cuyos costes son respectivamente cuatro y dos veces mayor que el de 4,7K (precisión 20%). No obstante, las resistencias con precisión del 20% solo vienen en los tipos de 1K, 1,5K, 2,2K, 3,3K, 4,7K y 6,8K. Con 4,99K o 5,1K con precisión del 1% comparado con 4,7K con precisión del 20%, el primero es obviamente más rentable.

Error 2: Selección aleatoria de color de luz indicadora

Algunos ingenieros eligen el color de la luz indicadora basándose en su preferencia. Sin embargo, las tecnologías en luces indicadoras de colores rojo, verde, amarillo o naranja se han desarrollado durante años. Además, su precio es extremadamente bajo. En cambio, las luces indicadoras azules reciben una madurez tecnológica relativamente mala y baja fiabilidad de suministro con un precio cuatro o cinco veces mayor. Hasta ahora, las luces indicadoras azules solo se aplican en situaciones donde otros colores nunca pueden ser reemplazados, como indicación de señal de vídeo.

Error 3: Aplicación de CPLD solo para gama alta

Algunos ingenieros aplican CPLD en lugar de circuito de compuertas 74** para gama alta. Sin embargo, resultará en mayor coste y numerosos trabajos para producción y archivos.

Error 4: Esforzarse por el MEM, CPU y FPGA más rápidos

Frente a altos requisitos del sistema, los ingenieros solo piensan que todos los chips tienen que ser los más rápidos, como MEM, CPU y FPGA. De hecho, en un sistema de alta velocidad, no todas las partes funcionan a alta velocidad. Además, la mejora de la velocidad de trabajo de componentes conduce al aumento de coste y gran interferencia a la integridad de señal.

Error 5: Confiar solo en enrutado automático

Para diseño de PCB con bajos requisitos de diseño, algunos ingenieros solo dependen del enrutado automático. El enrutado automático tiende a causar mayor área de PCB y vías through-hole que son múltiples veces más que la aplicación de enrutado manual. Dado que el ancho de línea y el número de vías through-hole afectan directamente el rendimiento de PCB y el consumo de taladro, el coste se ve muy influenciado. Para controlar el coste, es mejor aprovechar al máximo el enrutado manual.

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