Errores de principiante en el diseño de PCB y cómo evitarlos

Cuando se empieza con el diseño de PCB, es habitual tratar el proceso como una simple "conexión de puntos". Es decir, que mientras se hagan las conexiones, no tiene mucha importancia el cómo se hacen. 

Desafortunadamente, esto no podría estar más lejos de la realidad. Como ingenieros de diseño de PCB, con velocidades de dispositivos electrónicos cada vez mayores y unos estándares de emisiones cada vez más estrictos, debemos preocuparnos de los detalles más complejos de las PCB y de las interconexiones que hacemos. Si no vamos con cuidado, nos arriesgamos a obtener una mala integridad de la señal y una mala compatibilidad electromagnética.

Después de haber revisado estos últimos años un buen número de placas de circuito impreso de otros diseñadores de PCB y después de repasar algunos de mis primeros diseños, me he dado cuenta de que en muchos de ellos hay una gran cantidad de elementos comunes, y por desgracia erróneos.

Este artículo pretende ilustrar los cinco errores principales que suelen cometer los principiantes en el diseño de PCB y lo que podemos hacer para evitarlos. ¡Vamos a ello!

El espaciado de las pistas

En la producción, los fabricantes imponen restricciones sobre el espacio mínimo entre las pistas. Cuanto menor sea el clearance o espacio requerido, más cara será la placa.

Un error habitual que comenten los principiantes es asumir que cumplir con el espacio mínimo permitido o fabricable es suficiente. Como muestra la imagen anterior, las pistas de todos los tipos de señal están agrupadas y solo están limitadas por la regla de diseño establecida por el fabricante en relación al espaciado mínimo permitido entre ellas.

Desafortunadamente, este método no solo es más difícil de fabricar, lo que tiende a resultar en placas de menor rendimiento, sino que este tipo de enrutamiento aumenta significativamente el acoplamiento entre las pistas y, como consecuencia, provoca un aumento de la diafonía y del ruido.

Más concretamente, no es conveniente tener largos tramos de pistas paralelas muy próximos entre sí a menos que sea inevitable.

Así pues, nuestro primer consejo sencillo es separar las pistas adecuadamente. Como regla general, esto equivaldría a un mínimo de tres veces el espaciado entre la capa de señal y la capa de referencia adyacente. Por ejemplo, para un espesor dieléctrico de 0,11 mm, aspiraríamos a tener un espaciado mínimo entre pistas de 0,33 mm, pero preferiblemente incluso más.

El ancho de la pista

Otro error común de principiante en el diseño de PCB es utilizar el mismo ancho de pista para cualquier tipo de pista, ya sean pistas portadoras de corriente, nodos de alta impedancia, señales de alta velocidad, etc.

Puede resultarnos cómodo utilizar el mismo ancho de pista en todo el diseño, pero ciertamente no es la mejor solución. 

Las pistas y sus anchos deben dimensionarse de acuerdo con varios factores. Por ejemplo, una pista que transporte una corriente mayor debe ser más ancha, una de señal sensible de alta impedancia debe ser más estrecha y una pista de señales de RF generalmente deberá tener una impedancia controlada.

Muchos se sorprenderán al descubrir que, por ejemplo, una pista de 0,2 mm de ancho puede soportar hasta aproximadamente un amperio de corriente ¡por un aumento de temperatura de tan solo 20 ºC!

Tamaño de la vía

Tal como ocurre con las pistas, las vías también deben tener el tamaño adecuado. Para las vías, tenemos dos parámetros principales a determinar. El diámetro total de la vía y el diámetro de la perforación. Si restamos el diámetro de la perforación al de la vía y dividimos el resultado entre dos, obtendremos el anillo anular.

Los fabricantes están limitados a unos valores mínimos tanto para el diámetro de perforación como para el anillo anular. Los diseñadores de PCB principiantes suelen definir un diámetro de perforación demasiado grande o demasiado pequeño (o incluso un anillo anular demasiado pequeño) como para fabricarlo eficazmente (si es que es posible fabricarlo).

Mi recomendación para una vía "estándar" es de 0,7 mm de diámetro con un orificio de 0,3 mm. Una vía de estas características puede transmitir fácilmente entre uno y dos amperios de corriente.

Desacoplamiento

Para los ingenieros de diseño de PCB principiantes, el desacoplamiento adecuado es un aspecto que a menudo se pasa por alto. Sin embargo, por desgracia, el desacoplamiento es fundamental para que el sistema funcione correctamente. 

Un desacoplamiento correcto con conexiones de baja impedancia garantiza un suministro de energía adecuado a los circuitos integrados que requieran una gran cantidad de energía en poco tiempo. A medida que disminuyen los tiempos de subida y bajada de los circuitos integrados y aumenta la demanda de corriente, el desacoplamiento se convierte en un problema más crítico.

Podemos conseguir un buen desacoplamiento colocando condensadores de desacoplamiento cerca de los pines del circuito integrado, utilizando pistas cortas y anchas, y colocando las vías de alimentación muy cerca unas de otras. 

Planos de referencia

Mi consejo final es usar referencias sólidas en los diseños (las más habituales son los planos "GND" o "0 V").

Muchos ingenieros de diseño solo se preocupan por la trayectoria que sigue la señal. Sin embargo, las señales y la electricidad viajan en bucles cerrados y necesitan volver a una fuente.

Resulta que, cuando se coloca una pista de corriente alterna (con una frecuencia superior a unos pocos kHz) en una PCB, la corriente de retorno se encuentra instantáneamente en el plano inferior. Esto se debe a que los campos electromagnéticos contienen la energía efectiva de la señal y se generan entre la pista y el plano.

Por lo tanto, debemos asegurarnos de tener un plano de referencia directamente debajo de las señales de CA. Este puede ser de 0 V o, en ciertos casos, un plano de potencia de referencia adecuado. También debemos asegurarnos de no crear grandes huecos o divisiones en este plano de referencia y, si lo hacemos, de no cruzar estas divisiones con una pista en la capa de señal. Hacerlo provocaría graves problemas de EMI.