Directrices para el diseño de PCB de alta velocidad: Consejos y estrategias de colocación

En el sector inmobiliario, la palabra clave es; “ubicación, ubicación, ubicación”. Curiosamente, lo mismo se puede decir del diseño de PCB de alta velocidad. Aunque todos los aspectos del proceso de diseño de PCB de alta velocidad son importantes, la colocación de componentes es especialmente crucial para asegurar un enrutamiento fácil, minimizar la EMI y posiblemente eliminar la necesidad de algunas capas extras. Los métodos de colocación de ubicación que funcionan sin problema en un diseño de PCB estándar pueden no satisfacer los requisitos críticos de flujo de señal de un diseño de alta velocidad. Para que el diseño funcione, realmente todo se trata de “ubicación, ubicación, ubicación”.

Aquí hay algunos consejos y estrategias a considerar al crear su diseño de PCB de alta velocidad. Primero, veremos algunas consideraciones básicas de colocación de componentes para diseños de alta velocidad seguido por los beneficios de crear un plano de distribución antes de colocar componentes en la placa. Por último, pero ciertamente no menos importante en importancia, discutiremos las resistencias de terminación y dónde deben ser colocadas.

Colocación de Componentes en Su Diseño de PCB de Alta Velocidad

Cualquier diseño de PCB es como un rompecabezas difícil de resolver, con muchos objetivos en competencia. A menudo, tienes algunas restricciones de factor de forma y objetivos de cantidad de capas que necesitas cumplir, y necesitas asegurarte de que las partes estén colocadas de tal manera que satisfagan estas restricciones y muchas más.

Las partes en un diseño de PCB de alta velocidad generalmente deben organizarse de las siguientes maneras:

1. Agrupadas por bloque de circuito: Primero, agrupa los componentes que realizan tareas específicas en el sistema juntos. Como ejemplo, todos los componentes que participan en la regulación de potencia deben agruparse.
2. Agrupadas alrededor de grandes procesadores: Estos componentes tienden a tener un alto conteo de E/S y se interconectarán directamente con tus bloques de circuito agrupados. Intenta organizar los bloques de circuito de primer nivel alrededor de tu procesador central, y luego intenta organizar los bloques secundarios alrededor de esos.
3. Agrupadas por acceso a canales de enrutamiento: Si tienes un conjunto de componentes que necesitan acceder a una interfaz común en otro componente, intenta organizar estos componentes de modo que sus pines se enfrenten entre sí. Esto no siempre será posible, pero si tienes éxito, no necesitarás enrutar a través de capas internas o en caminos largos alrededor de otros componentes.

En la imagen a continuación, verás un MCU grande en el área más a la derecha del diseño, y hay otros componentes agrupados a su alrededor con sus pines orientados hacia el MCU. Más hacia la izquierda, podemos ver que hay componentes secundarios como conectores, LEDs y algunos pasivos. Observa que estos están alineados aproximadamente para enfrentar un lado del MCU. Esto permite realizar algunas conexiones directamente desde el MCU hacia esas regiones del tablero en el lado izquierdo del tablero.

 
Ejemplo de diseño de PCB de alta velocidad

Al planificar la colocación de bloques funcionales de circuitos, ten en cuenta también las necesidades de las planchas de alimentación y tierra. Generalmente se prefiere el uso de planchas de alimentación continuas, pero en el caso de que las necesidades del diseño requieran una plancha de alimentación dividida para múltiples voltajes, ejerce precaución al colocar componentes conectados a través de la división. Las líneas de transmisión de alta velocidad no deben cruzar divisiones en las planchas de alimentación ya que eso interrumpirá el camino de retorno para esas señales. Además, evita colocar otros componentes que no forman parte de un circuito entre componentes de ese circuito. Esto también afectará el camino de retorno para ese circuito.

Vamos a profundizar un poco en la colocación de partes para diferentes bloques de componentes, conectores y otros circuitos.

Preparándose para la Colocación de Ubicaciones mediante la Planificación de su Diseño

Crear un plano para la colocación de su ubicación es una manera efectiva de preparar un diseño de PCB de alta velocidad. Al planificar con anticipación, puedes tener en cuenta grupos de componentes como se mencionó anteriormente, en lugar de sorprenderte cuando se colocan al final del diseño. 

Bloques Funcionales

Los bloques funcionales de circuitos, como los de potencia, RF, digital, analógico, etc., deben organizarse y colocarse en grupos para minimizar el cruce de señales. Un plano de pre-colocación te permitirá ver cuál es el flujo de señal entre bloques funcionales y cómo planificarlo mejor. Por ejemplo, agrupa tu analógico de baja frecuencia tanto como sea posible para que las señales de alta frecuencia o alta velocidad no tengan que cruzar por áreas sensibles de la circuitería analógica.

EMI y Conectores

Debe evitar colocar dispositivos de alta velocidad sensibles cerca del borde de la placa. Esto se debe a que el borde de la placa puede actuar como una cavidad abierta que permite que la radiación electromagnética escape del borde de la placa, lo que significa que puede haber más interferencia electromagnética (EMI) que afecte a otros componentes en su sistema.

Cualquier cable que su placa necesite para datos o energía necesitará llegar a un conector en su placa, y estos pueden radiar EMI. Por lo tanto, generalmente es una buena idea tratar de separar sus conectores y componentes de alta velocidad, bloques funcionales digitales de alta velocidad y bloques analógicos de alta frecuencia. La mayoría de las guías indican que debe colocar los conectores más cerca de los bordes de la placa y los dispositivos de alta velocidad sensibles más cerca del centro de la placa para reducir la EMI en su diseño.

Conectores de borde de alta velocidad para tarjetas PCIe.

Gestión del Calor

Los efectos térmicos son otro aspecto a considerar en la colocación de diseños de alta velocidad. Esto se debe a que las pautas de diseño de alta velocidad esperan que los dispositivos puedan funcionar a temperaturas más altas que los componentes estándar. Para asegurar que la colocación de tus componentes calientes permanezca fresca, planifica tu colocación de manera que estos componentes reciban un flujo de aire sin restricciones. Por ejemplo, no coloques componentes más altos, como conectores, en la dirección del flujo de aire hacia un BGA caliente.

Redes de Terminación y de Coincidencia de Impedancia

La estrategia de colocación final y más específica es considerar la ubicación de tus resistencias de terminación. Los diseños de PCB de alta velocidad pueden necesitar alguna terminación aplicada en el extremo del emisor o del receptor de una interconexión, dependiendo de las impedancias de los puertos de los componentes y de la impedancia que necesitas coincidir. Estas resistencias a menudo se tratan como una adición de último momento una vez que las principales partes del circuito ya han sido colocadas. Dado que estas resistencias son parte del circuito en su conjunto, su colocación es extremadamente importante para que funcione correctamente.

No importa dónde quieras colocar tus componentes de alta velocidad, necesitarás hacer espacio en algún lugar para cualquier resistencia de terminación requerida. Entonces, ¿dónde debería colocar un diseñador las resistencias de terminación y qué efectos tendrá esto en el comportamiento de la señal? Primero, necesitamos considerar si estamos agregando resistencias de terminación en serie o en paralelo.

Terminación Paralela (Pull-up, Shunt o Thevenin)

La terminación paralela se utiliza normalmente para derivar el extremo de carga de una línea de transmisión a tierra cuando el componente de carga tiene una alta impedancia de entrada. A veces, se utiliza una resistencia pull-up para ajustar el nivel de señal para acomodar al receptor. Las resistencias shunt y pull-up a veces se utilizan juntas, llamadas terminación Thevenin, que ajusta el nivel de señal en el receptor y establece la impedancia de entrada de la carga para que coincida con la impedancia de la línea de transmisión. Consulta las hojas de datos de tus componentes para ver qué método de terminación deberías usar en tus diseños.

Este esquema coloca un lado de una resistencia de terminación en el extremo del circuito más cercano al receptor, mientras que el otro lado está conectado al plano de alimentación o de tierra. Cuanto mayor sea la longitud de la traza desde el pin de carga hasta la resistencia, más propenso será el circuito a la reflexión de la señal, lo que resulta en la degradación de la señal. Es por esto que las resistencias paralelas deben colocarse lo más cerca posible del pin de carga del receptor, y deben tener una conexión inmediata de regreso al plano de alimentación/tierra a través de un vía.

Terminación en Serie

El propósito de la terminación en serie es establecer la impedancia de salida del controlador igual a la impedancia de su interconexión. En este esquema de terminación, una resistencia se coloca inmediatamente en el pin de salida del controlador. Dado que la resistencia está muy cerca del pin de salida del controlador, la impedancia de entrada vista por el controlador será aproximadamente igual a la impedancia de entrada de la línea de transmisión.

Los componentes de alto conteo de pines, como los paquetes BGA, generalmente no requerirán terminación en cada uno de los pines del controlador. Ciertas interfaces pueden tener terminación en el chip, por lo que no se necesitará una resistencia de terminación externa. Para aquellos pines que sí requieran terminación en serie, necesita haber algo de espacio disponible alrededor del exterior del componente para aplicar la terminación. Sin embargo, colocar múltiples resistencias de terminación en serie para un dispositivo de gran escala ocupará mucho espacio en la placa alrededor del dispositivo. Esto requerirá planificar con anticipación para asegurarse de que haya espacio adecuado sin tener que deshacer y reemplazar pistas en su diseño de PCB de alta velocidad.

Independientemente del tipo de terminación que necesite aplicar, coloque las resistencias cerca de los componentes que están terminando. No las coloque en medio de una línea de transmisión. Aprenda más sobre estos métodos de terminación en este artículo.

Fan-in/Fanout

El enrutamiento hacia y desde los componentes es una parte importante del diseño y enrutamiento de PCBs de alta velocidad. Componentes como los paquetes cuádruples son fáciles de enrutarse siempre y cuando las pistas estén dimensionadas correctamente. Idealmente, las pistas deben dimensionarse de tal manera que puedan enrutarse hacia los pads con una reducción mínima del ancho cuando hay una especificación de impedancia. Si la interfaz tiene un requisito de impedancia, lo mejor es intentar diseñar el apilado de manera que el ancho de tu pista coincida con el tamaño del pad en los componentes. Si esto no se puede hacer, como por razones de costo, requerirá una reducción del ancho o un enrutamiento coplanar con el vertido de cobre cercano. El coplanar suele ser impráctico, así que es mejor simplemente intentar alcanzar el ancho objetivo.

Reducción del ancho desde una pista ancha a un pin estrecho.

Preferimos mantener el estrechamiento corto en buses controlados por impedancia debido a la necesidad de calcular una longitud crítica. En mi opinión, la mejor práctica es simplemente diseñar el apilamiento de tal manera que los requisitos de ancho de traza de 50 ohmios ya coincidan con el ancho de traza hasta el tamaño del pad. Esto te da el mejor resultado donde el estrechamiento se elimina por completo. En buses donde no hay especificación de impedancia, no te preocupes a menos que el enrutamiento se vuelva muy largo o estés enrutando hacia un cable.

¿Qué pasa con los BGAs? Los BGAs son un paquete de componentes donde a veces se necesita estrechamiento en buses especificados por impedancia para poder pasar una traza entre pads. Si estás diseñando con un BGA, entonces probablemente ya estés alcanzando los límites de capacidad de todos modos, incluso en paquetes BGA con un paso de 1 mm. El paso crea un requisito de tamaño de pad, y esto crea un requisito de ancho de traza para mantener las separaciones.

Para asegurarte de poder cumplir con el requisito de traza en buses especificados por impedancia, lo más probable es que necesites usar un material laminado más delgado. Los BGAs con interfaces especificadas por impedancia empujan los grosores dieléctricos a ser más pequeños cuando el paso se reduce. Para entender esto mejor, aprende más sobre los fanouts de BGA en este artículo.

La planificación de la distribución y otras estrategias de las que hemos hablado te darán un excelente punto de partida cuando estés creando tu diseño de PCB de alta velocidad. Las mejores herramientas de diseño de PCB de alta velocidad pueden ayudarte con la colocación, así como con muchos otros aspectos del diseño. El software profesional de diseño de PCB, como Altium Designer^®, tiene las herramientas adecuadas para el trabajo.

¿Te gustaría saber más sobre las diferentes pautas y capacidades de diseño de alta velocidad que Altium ofrece a sus usuarios? Habla con un experto en Altium.