¿Qué es el diseño de alta velocidad?

Zachariah Peterson
|  Creado: October 31, 2021
¿Qué es el diseño de alta velocidad?

Hoy en día, podría considerarse que la mayoría de los PCB están en riesgo de padecer algún tipo de problema en la integridad de señal, lo cual está normalmente asociado al diseño digital de alta velocidad. Los diseños y disposiciones de PCBs de alta velocidad se enfocan en crear diseños de placas de circuitos que sean menos susceptibles a los problemas en señales de integridad, potencia y EMI/EMC. A pesar de que un diseño nunca está libre de todos estos problemas, éstos pueden ser reducidos hasta el punto en el que son imperceptibles y no crean problemas en el rendimiento del producto final.

Una vez que hayas creado tus esquemáticos y estés listo para pasar a la disposición de tu placa de circuitos, tendrás que aprovechar ciertas funcionalidades de tus herramientas de diseño de PCBs para asegurar una disposición y enrutamientos correctos. En tu software de diseño de PCBs, tendrás la oportunidad de preparar tus planos de alimentación y de tierra en tu apilamiento de capas (stackup), calcular perfiles de impedancia para tus trazas, y visualizar las opciones de materiales para el apilamiento de tu PCB. La mayoría de los aspectos de los diseños de alta velocidad se centran alrededor del diseño del apilamiento de capas del PCB y el enrutamiento para poder asegurar la integridad en la señal y la potencia, y un software ECAD adecuado puede ayudarte a lograr el éxito en estas cuestiones.

  1. Planear el apilamiento de capas de tu PCB y su impedancia
  2. Planificando un PCB de alta velocidad
  3. Enrutamiento, integridad de la señal y de la potencia
  4. Herramientas avanzadas para el diseño y disposición de alta velocidad

Los diseños de alta velocidad se refieren, específicamente, a los sistemas que utilizan señales digitales de alta velocidad para transferir datos entre componentes. La división entre un diseño digital de alta velocidad y una simple placa de circuitos es difusa. La métrica general que se usa para denotar un sistema particular como de "alta velocidad" es el tiempo de subida/bajada del flanco de la señal digital (edge rate) utilizada en el sistema. La mayoría de los diseños digitales utilizan protocolos de señales rápidas (tiempos cortos de subida/bajada del flanco de la señal) y lentas. Hoy en día, con la computación integrada y el "Internet de las cosas" (IoT), la mayoría de los PCBs de alta velocidad tienen un frontend RF para la comunicación inalámbrica y con las redes.

A pesar de que todos los diseños comienzan con un esquemático, una gran parte del diseño de PCBs de alta velocidad está enfocada en la interconexión del diseño, el diseño del apilamiento de capas del PCB, y el enrutamiento. Si eres exitoso en las primeras dos áreas, probablemente tengas éxito también en la tercera. Lee las próximas secciones para conocer cómo puedes comenzar un diseño de alta velocidad, y el rol importante que juega tu software de diseño de PCBs.

Planeando el apilamiento de capas de tu PCB y su impedancia

El apilamiento de capas que creas para tu PCB de alta velocidad determinará su impedancia, además de la facilidad del enrutamiento. Todos los apilamientos incluyen un grupo de capas dedicado a los planos de señales de alta velocidad, alimentación y tierra, y hay varios puntos a considerar al asignar capas en un apilamiento.

  • Tamaño de la placa y número de nets: Qué tan grande será tu placa y cuántos nets necesitarás enrutar en tu disposición de PCB. Las placas físicamente más grandes quizás tengan espacio suficiente para permitirte enrutar a través de la disposición del PCB sin tener que usar más que algunos pocos planos de señal.
  • Densidad del enrutamiento: En el caso en el que tengas gran cantidad de nets y el tamaño de la placa esté restringido a una pequeña región, quizás no tengas mucho lugar para enrutar alrededor del plano superficial. Por lo tanto, necesitarás más capas de señal internas cuando las trazas se encuentren muy juntas. El tener una placa pequeña puede generar una alta densidad de enrutamiento.
  • Número de interfaces: A veces, una buena estrategia consiste en enrutar solo una o dos interfaces por capa, dependiendo del ancho del bus (serie vs paralelo) y el tamaño de la placa. El mantener todas las señales de una interfaz digital de alta velocidad en la misma capa garantiza una impedancia consistente y la asimetría vista por todas las señales.
  • Baja velocidad y señales RF: ¿Tendrás señales digitales de baja velocidad o señales RF en tu diseño digital? En ese caso, éstas quizás utilicen un espacio en la capa superficial que podrías usar para un bus de alta velocidad o para componentes, y una capa adicional interna quizás sea mejor opción.
  • Integridad en la potencia: Un punto clave en la integridad de la potencia es el uso de un gran plano de potencia y uno de tierra para cada nivel de voltaje requerido por tus grandes ICs. Estos deberían ser colocados en capas adyacentes para ayudarte a asegurar que hay una gran capacitancia de plano, y así mantener una potencia estable con capacitores desacoplados.

Opciones de materiales de PCB, número de capas, y grosor

Antes de diseñar el apilamiento de capas de tu PCB, debes considerar el número de capas necesario para alojar todas las señales digitales en tu diseño. Hay varias maneras de hacer esto, pero estos métodos requieren un poco de cuentas y un poco de experiencia previa en el diseño de placas de alta velocidad. Además de los puntos considerados anteriormente en cuanto al número de capas, los grandes ICs de alta velocidad con huellas BGA/LGA pueden dictar el tamaño requerido de tu placa. Al realizar las conexiones BGA, puedes generalmente caber dos filas por capa de señal, y asegúrate de incluir los planos de alimentación y tierra en tu conteo de planos cuando estés fabricando el stackup.

Qué es el diseño de alta velocidad
Conexiones de un BGA en un FPGA con un gran polígono utilizado para alimentación en un diseño de alta velocidad.

Los materiales de grado FR4 pueden ser generalmente utilizados en un diseño de alta velocidad siempre que las rutas entre los componentes no sean demasiado largas. Si las rutas se alargan mucho, habrá mucha pérdida en tu canal de alta velocidad, y los componentes en la terminal receptora de tu canal quizás no puedan recuperar las señales. La propiedad clave del material a considerar al seleccionar materiales es la tangente de pérdida de tus laminados del PCB. La geometría del canal también determinará las pérdidas, pero en general, el optar por un laminado FR4 con una baja tangente de pérdida es un buen inicio para placas pequeñas.

Si tus rutas son muy largas, entonces un material más especializado será necesario como sustrato para tus señales de alta velocidad. Los laminados basados en PTFE, en "spread glass", u otros sistemas con materiales especializados son una buena opción para soportar placas grandes de alta velocidad, en los que las rutas son muy largas y se requiere una baja pérdida por inserción. Un grupo de materiales laminados de alto Tg apto para novicios, para PCBs físicamente pequeñas de alta velocidad es 370HR. Para placas más grandes, algo como los laminados Megtron o Duroid son buenas opciones. Consulta con tu fabricante para asegurarte que tu selección de materiales y apilamiento propuesto sean posibles de fabricar antes de proceder.

Control de la impedancia

La impedancia se determina únicamente cuando has terminado tu apilamiento propuesto de capas, y validado esto con tu fabricante. El fabricante quizás proponga modificaciones al apilamiento, como por ejemplo, opciones distintas de materiales para el PCB, o anchos de capas. Una vez que hayas recibido autorización en el apilamiento que utilizarás, y los anchos de las capas hayan sido definidos, puedes comenzar a calcular los valores de la impedancia.

La impedancia se calcula normalmente utilizando una fórmula o una calculadora con una herramienta que permita resolver las ecuaciones de campos EM. La impedancia que necesites en tu diseño determinará las dimensiones de tu línea de transmisión, y la distancia a un plano cercano de alimentación o tierra. El ancho de la línea de transmisión puede ser determinado con alguna de las siguientes herramientas:

El utilizar un administrador de apilamiento de capas con una utilidad de resolución de campos EM te dará los resultados más precisos, teniendo en cuenta a su vez, los valores de rugosidad del cobre, etching, arreglos asimétricos de líneas, y pares diferenciales. Una vez que el perfil de impedancias para tus trazas sea calculado, deberá ser establecido como una regla de diseño en tus herramientas de enrutamiento para asegurar que tus trazas tendrán la impedancia requerida.

Diseño de alta velocidad
Cálculo de la impedancia para diseños de líneas de transmisión en una placa de alta velocidad. El administrador de apilamiento de capas en Altium Designer incluye una calculadora de impedancias que tiene en cuenta la rugosidad del cobre.

La mayoría de los protocolos de señales de alta velocidad, como PCIe o Ethernet, utilizan el enrutamiento por pares diferenciales, por lo que necesitas diseñar teniendo en cuenta una impedancia diferencial específica, calculando el ancho de las trazas y el espaciamiento. Las herramientas para resolver campos EM son las mejores utilidades para calcular impedancias diferenciales en cualquier geometría (microstrip, stripline o coplanar) El otro resultado importante que te dará esta herramienta es el retardo en la propagación, que se usará durante el enrutamiento de alta velocidad para cumplir el afinamiento de longitudes (length tuning)

Planear un PCB de alta velocidad

No hay reglas específicas o estándares para la colocación de los componentes en una disposición de PCB de alta velocidad. Generalmente, es una buena idea el colocar el componente IC de procesamiento central más grande cerca del centro de la placa, dado que éste típicamente tendrá alguna conexión con todos los componentes de la placa, de alguna manera. Los ICs más pequeños que se conectan directamente con el procesador central pueden ser colocados alrededor del IC central, de modo que el enrutamiento entre los componentes puede mantenerse corto y directo. Los periféricos pueden luego posicionarse alrededor de la placa para proveer las funcionalidades requeridas.

Disposición de un PCB de alta velocidad
Las disposiciones de alta velocidad funcionan mejor cuando el controlador IC principal se coloca cerca del centro de la placa con otros periféricos de alta velocidad puestos alrededor de éste. Este es uno de los motivos por los que las placas madre tienen un gran procesador colocado en el centro de la placa. El proyecto MiniPC en Altium Designer tiene sus periféricos PCIe, DDR4, USB 3.0 y Ethernet colocados alrededor del SoC FPGA central, de modo que el enrutamiento es mucho más sencillo.

Una vez que tus componentes han sido colocados, puedes arrancar tus herramientas de diseño para ayudarte a enrutar tu diseño. Esta es una parte sensible del diseño de placas de alta velocidad, dado que un enrutamiento incorrecto puede arruinar la integridad de la señal. Sin embargo, si has completado correctamente los pasos anteriores, la integridad de la señal es mucho más fácil de alcanzar. Deberás establecer tu perfil de impedancias en las reglas de diseño de tu PCB de modo que todas las rutas de tu diseño se colocarán con el ancho, holgura y espaciamiento correcto para mantener la impedancia controlada durante el enrutamiento.

Enrutamiento, integridades de la señal y la potencia

La integridad en la señal comienza con diseñar teniendo una cuenta un valor específico de impedancia en tu placa, y mantener ese valor durante el enrutamiento y la disposición. Otras estrategias para asegurar la integridad en la señal incluyen:

  • El mantener rutas cortas entre los componentes para asegurar señales de alta velocidad
  • Intentar minimizar el enrutamiento mediante vías, idealmente utilizando únicamente dos vías hacia adentro y afuera de una capa interna
  • Eliminar los cabos (stubs) en las líneas de ultra alta velocidad (por ejemplo, Ethernet 10G+) mediante una perforación (backdrilling)
  • Prestar atención si necesitas algún resistor de terminación para prevenir la reflexión de las señales; mira las hojas de datos para conocer si tienes presente ODT.
  • Consultar con tu fabricante con respecto a qué materiales y procesos pueden ayudarte a evitar efectos de enredamientos de fibra.
  • Usar un cálculo o simulación básica de acoplamiento electromagnético para determinar el espaciamiento apropiado entre nets en la disposición de tu placa de circuitos.
  • Mantener una lista de los buses y nets que requieren coincidencias de longitud de modo que se puedan aplicar estructuras de afinamiento para eliminar la asimetría.

Estos puntos importantes pueden ser codificados como reglas de diseño para tus herramientas de enrutamiento, lo cual te ayudará a asegurarte de cumplir con las mejores prácticas en diseños de alta velocidad.

Enrutamiento de PCBs de alta velocidad

Las reglas de diseño que estableces en tu proyecto de diseño de alta velocidad te ayudarán a cumplir con tus metas de impedancia, espaciamiento y longitud a medida que enrutas tu diseño. Además, puedes imponer reglas importantes en el enrutamiento por pares diferenciales, lo cual minimiza específicamente las discrepancias en longitudes para prevenir las asimetrías y asegura los espaciamientos entre trazas para asegurar que se cumplan tus metas para la impedancia diferencial. Las mejores herramientas de enrutamiento te permitirán codificar tus límites en la geometría de tus trazas como reglas de diseño para que puedas asegurar un buen rendimiento.

Afinamiento de longitudes en un diseño de alta velocidad
El afinamiento de longitudes (length tuning) es utilizado a través de los buses paralelos y entre las trazas en pares diferenciales para asegurar las coincidencias en los tiempos de señales retardadas, y para eliminar la asimetría entre las señales vistas desde un receptor.

Uno de los puntos más importantes en el enrutamiento en PCBs de alta velocidad es la ubicación de los planos de tierra cerca de tus trazas. El apilamiento de capas debe ser construido para tener planos de tierras en las capas adyacentes a las señales controladas por impedancia, de modo que se mantenga una impedancia consistente y que un camino claro de retorno se defina en la disposición del PCB. Las trazas no deben ser enrutadas a través de brechas o divisiones en los planos de tierra de modo de evitar una discontinuidad en la impedancia y causar un problema de EMI. El posicionamiento de los planos de impedancia no se limita a asegurar la integridad de la señal; también juega un rol importante en la integridad de la potencia y asegurar la entrega estable de la potencia.

Integridad de la potencia

El asegurar una entrega estable de potencia a los componentes de alta velocidad es crítico en el diseño de PCBs dado que los problemas en la integridad de la potencia muchas veces se disfrazan de problemas en la integridad de la señal. También crean radiación innecesaria de las interconexiones y buses, dado que los transitorios crean oscilaciones fuertes con gran irradiación. Para asegurar una entrega estable de potencia, usa grupos de capacitores para desacoplamiento con un rango de auto-resonancias para asegurar que el diseño tenga la menor impedancia posible en el rango más amplio posible de frecuencias. El utilizar un plano de alimentación con uno adyacente de tierra provee de una capacitancia adicional para mantener la impedancia PDN baja.

Herramientas avanzadas para diseños y disposiciones de alta velocidad

El mejor software de diseño de PCBs de alta velocidad te traerá todas estas funcionalidades juntas en una sola aplicación, en vez de forzarte a utilizar múltiples flujos de trabajo para superar los diferentes desafíos en el diseño. Los diseñadores de PCBs de alta velocidad deben llevar a cabo mucho trabajo en el frontend para asegurar la integridad de la señal, de la potencia, y la compatibilidad electromagnética, pero las herramientas correctas de disposición de alta velocidad te ayudarán a implementar tus resultados como reglas de diseño para asegurar que el mismo funcione como es debido.

Los softwares de diseño de PCBs más avanzados se conectarán con aplicaciones de simulación para ayudarte a generar análisis con los estándares de la industria. Algunos programas de simulación están específicamente apuntados a evaluar la integridad de la señal y de la potencia en un nuevo diseño, además de examinar el EMI en una disposición de PCB. Las simulaciones son muy útiles en el diseño de alta velocidad dado que pueden ayudar a aislar problemas específicos de IS/IP/EMI antes de que un diseño sea enviado para su manufactura. Algunos ejemplos incluyen el seguimiento del camino de retorno, el ubicar una discontinuidad de la impedancia en las trazas, y la colocación ideal de capacitores desacoplantes para prevenir el EMI.

Diseño de un PCB de alta velocidad
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Cuando necesites construir sistemas digitales avanzados de alta velocidad, asegurando la integridad tanto de la señal como de la potencia, usa el mejor grupo de herramientas de diseño y disposición de alta velocidad, construidas en un motor basado en reglas de diseño. Tanto si necesitas disponer una placa singular densa o un PCB complejo con señales mixtas, las mejores herramientas de disposición de PCB te ayudarán a mantenerte flexible a medida que creas tu disposición de alta velocidad.

Los diseñadores de circuitos, ingenieros de disposición, y los ingenieros en IS/IP confían en las avanzadas herramientas de diseño en Altium Designer para un diseño y disposición de alta velocidad. Cuando un diseño esté terminado y listo para ser enviado a su manufactura, la plataforma de Altium 365™ facilita la colaboración y el compartir tus proyectos.

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Sobre el autor / Sobre la autora

Sobre el autor / Sobre la autora

Zachariah Peterson cuenta con una amplia experiencia técnica en el mundo académico y la industria. Antes de trabajar en la industria de PCB, enseñó en la Universidad Estatal de Portland. Realizó su investigación en Física MS sobre sensores de gas quimisortivo y su doctorado en Física Aplicada sobre teoría y estabilidad del láser aleatorio. Su experiencia en investigación científica abarca temas en láseres de nanopartículas, dispositivos semiconductores electrónicos y optoelectrónicos, sistemas ambientales y análisis financiero. Su trabajo ha sido publicado en varias revistas revisadas por pares y actas de conferencias, y ha escrito cientos de blogs técnicos sobre diseño de PCB para varias empresas. Zachariah trabaja con otras compañías en la industria de PCB proporcionando servicios de diseño e investigación. Es miembro de IEEE Photonics Society y de la American Physical Society.

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