¿En qué consiste el diseño de PCB de alta velocidad?

Hoy en día, se puede considerar que la mayoría de las PCB corren el riesgo de sufrir algún tipo de problema de integridad de la señal, que normalmente se asocia con diseño digital de alta velocidad. El diseño y la disposición de las PCB de alta velocidad se centran en la creación de diseños de placas de circuitos que sean menos susceptibles de presentar problemas de integridad de la señal, integridad de la potencia o EMI/EMC. Aunque ningún diseño de PCB está totalmente exento de estos problemas, siguiendo estas directrices para diseño de placas de PCB de alta velocidad se pueden reducir hasta el punto de que sean imperceptibles y no creen problemas de rendimiento en el producto final.

Una vez que hayas creado el esquema y estés preparado para configurar la placa de circuito impreso, tendrás que valerte de las funciones específicas de tus herramientas de diseño de PCB para realizar el trazado y el enrutamiento adecuados. Gracias a tu programa de diseño de PCB, podrás preparar la disposición de los planos de potencia y de tierra en el apilamiento de capas, calcular los perfiles de impedancia de los trazados y ver las opciones de materiales de la PCB para el apilamiento. La mayoría de los elementos del diseño de PCB de alta velocidad giran en torno al diseño del apilamiento de la PCB y del enrutamiento para garantizar la integridad de la señal y la potencia, y el software ECAD adecuado puede ayudarte a garantizar el éxito en estas áreas.

Fundamentos del diseño digital de alta velocidad

Así pues, ¿en qué consiste el diseño de placas de alta velocidad? Por diseño de alta velocidad se entienden específicamente los sistemas que utilizan señales digitales de alta velocidad para transmitir datos entre los componentes. La línea divisoria entre un diseño digital de alta velocidad y una simple placa de circuito con protocolos digitales más lentos es borrosa. El criterio general que se utiliza para calificar un sistema concreto como de "alta velocidad" es la frecuencia de flanco (o tiempo de subida) de las señales digitales utilizadas en el sistema. La mayoría de los diseños digitales utilizan protocolos digitales de alta velocidad (frecuencia de flanco rápida) y de baja velocidad (frecuencia de flanco lenta). En la era actual de la informática embebida y el internet de las cosas (IoT por sus siglas en inglés), la mayoría de las PCB de alta velocidad tienen un front-end de RF para la comunicación inalámbrica y la creación de redes.

Aunque todos los diseños parten de un esquema, una parte importante del diseño de una PCB de alta velocidad se centra en el diseño de las interconexiones, el diseño del apilamiento de la PCB y el enrutamiento. Si consigues buenos resultados en las dos primeras áreas, es probable que también los obtengas en la tercera. Lee las secciones siguientes para descubrir cómo puedes iniciarte en el diseño de PCB de falta velocidad y cuál es la importancia del software de diseño de PCB del que dispongas.

Cómo planificar el stackup y la impedancia de una PCB de alta velocidad

El apilamiento de la PCB que hayas creado para una PCB de alta velocidad determinará la impedancia, así como la facilidad con la que se pueda enrutar. Todos los apilamientos de PCB incluyen un conjunto de capas dedicadas a los planos de señal de alta velocidad, de potencia y de tierra. Así pues, hay varios puntos a tener en cuenta al asignar las capas en un apilamiento:

• El tamaño de la placa y el número de redes: cuál será el tamaño de la placa de PCB y cuántas redes necesitarás enrutar en el diseño de esta. Las placas físicamente más grandes deberían tener el espacio suficiente para permitirte enrutar todo el diseño de la PCB sin usar más que unas pocas capas de señales.
• La densidad del enrutamiento: en el caso de que el número de redes sea elevado y el tamaño de la placa esté limitado a una región pequeña, es posible que no tengas mucho espacio para el enrutamiento en la capa de superficie. Así pues, necesitarás más capas de señales internas cuanto más juntas estén las pistas. Utilizar un tamaño de placa más pequeño puede obligar a una mayor densidad de enrutamiento.
• El número de interfaces: en ciertos casos puede ser una buena estrategia enrutar únicamente una o dos interfaces por capa dependiendo de la anchura del bus (en serie o en paralelo) y del tamaño de la placa. Mantener todas las señales de una interfaz digital de alta velocidad en la misma capa garantiza que todas las señales perciban una impedancia y desfase consistentes.
• Señales de baja velocidad y de RF: ¿habrá señales digitales o de RF de baja velocidad en tu diseño digital? De ser así, estas podrían ocupar un espacio en la capa superficial que podría utilizarse para un bus de alta velocidad o para los componentes y podría requerirse una capa interna adicional.
• La integridad de la potencia: una de las piedras angulares de la integridad de la potencia es el uso de unos grandes planos de potencia y de tierra para cada nivel de tensión necesario en los circuitos integrados (CI) grandes. Estos deben colocarse en capas adyacentes para ayudar a que haya una alta capacitancia en el plano para sostener una potencia estable con condensadores de desacoplamiento.

Opciones de material, número de capas y espesor de las PCB

Antes de diseñar el apilamiento de la PCB, ten en cuenta el número de capas que necesitarás para alojar todas las señales digitales presentes en el diseño. Hay varias formas de determinarlo, pero estos métodos se basan en un poco de matemáticas y en algo de experiencia previa en el diseño de PCB de alta velocidad. Además de los puntos mencionados anteriormente para determinar el número de capas, los grandes CI de alta velocidad con footprints BGA/LGA pueden condicionar el tamaño necesario de la placa. Si realizas un Fan-out de la BGA, por lo general podrás colocar dos filas por capa de señal. Asegúrate de incluir las capas de alimentación y de plano de tierra en tu recuento de capas cuando configures un apilamiento.

En general, los materiales de grado FR4 pueden utilizarse en un diseño digital de PCB de alta velocidad siempre que las pistas entre los componentes no sean demasiado largas. Si las pistas resultan demasiado largas, habrá demasiadas pérdidas en el canal de alta velocidad y los componentes del extremo receptor del canal podrían no ser capaces de recuperar las señales. La principal propiedad que hay que tener en cuenta a la hora de seleccionar los materiales es la tangente de pérdida de los laminados de la PCB. La geometría del canal también determinará las pérdidas pero, en términos generales, optar por un laminado FR4 con una menor tangente de pérdida es un buen punto de partida para las placas de circuito impreso más pequeñas.

Si las pistas son demasiado largas, es posible que sea necesario un material más especializado como sustrato para las señales de alta velocidad. Los laminados a base de PTFE, los laminados de vidrio extendido u otros sistemas de materiales especializados son una buena opción para albergar las PCB de alta velocidad más grandes en las que las rutas son muy largas y se requiere una baja pérdida de inserción. Un buen conjunto de materiales laminados de TG alto de nivel básico para las PCB de alta velocidad de pequeño tamaño es el 370HR. Para placas de mayor tamaño, los laminados de Megtron o Duroid son buenas opciones. Antes de seguir adelante, consulta con el fabricante para asegurarte de que la selección de materiales y el apilamiento previsto son factibles.

• Más información sobre los factores que determinan las pérdidas en las líneas de transmisión
• Más información sobre los materiales para el diseño de placas de RF y de alta velocidad

Control de la impedancia

La impedancia se determina después de haber preparado una propuesta de apilamiento y de haberla validado con la empresa fabricante. El fabricante puede proponer modificaciones en el apilamiento de la PCB, como, por ejemplo, opciones alternativas en cuanto al material de la PCB o al grosor de las capas. Una vez que hayas recibido el visto bueno para el apilamiento que vayas a utilizar y los grosores de las capas estén definidos, puedes empezar a calcular los valores de impedancia.

Por lo general, la impedancia se calcula mediante una fórmula o una calculadora con una herramienta de resolución de campos. La impedancia necesaria en el diseño determinará las dimensiones de la línea de transmisión y la distancia a las capas de potencia o de plano de tierra adyacentes. El grosor de la línea de transmisión puede determinarse con algunas de las siguientes herramientas:

• Las fórmulas IPC-2141 y de Waddell: estas fórmulas proporcionan un punto de partida para la estimación de la impedancia y producen resultados precisos a bajas frecuencias.
  Más información sobre el uso de fórmulas de impedancia de trazado.
• Las funciones de la calculadora de campos 2D/3D: las calculadoras de campos se utilizan para resolver las ecuaciones de Maxwell dentro de la geometría de la línea de transmisión que hayas definido para una placa de alta velocidad. 
  Más información sobre la mejor calculadora de campos del sector integrado en tu calculadora de apilamiento de PCB.

El uso de un gestor de apilamiento de capas con una calculadora de campos te proporcionará los resultados más precisos, ya que tiene en cuenta la rugosidad del cobre, el decapado la disposición asimétrica de las líneas y los pares diferenciales. Una vez calculado el perfil de impedancia de las pistas, tendrás que establecerlo como regla de diseño en las herramientas de enrutamiento para asegurarte de que los trazados tengan la impedancia necesaria.

La mayoría de los protocolos de señales de alta velocidad, como el PCIe o el Ethernet, utilizan el enrutamiento de pares diferenciales, por lo que tienes que diseñar de acuerdo con una impedancia diferencial específica calculando la anchura y el espaciado de las pistas. Las herramientas de resolución de campos son las mejores aplicaciones para calcular la impedancia diferencial en cualquier geometría (microstrip, stripline o coplanar). El otro resultado importante que se obtiene de la aplicación de una calculadora de campos es el retardo de propagación. Este se utilizará posteriormente en el enrutamiento de la PCB de alta velocidad para hacer valer el ajuste de la longitud.

• Más información sobre el cálculo de la impedancia de microstrips
• Más información sobre el cálculo de la impedancia de striplines simétricas

Cómo proyectar una PCB de alta velocidad

No hay reglas o normas específicas sobre dónde deben colocarse los componentes en un diseño de PCB de alta velocidad. Por norma general, es una buena idea situar el CI del procesador central más grande cerca del centro de la placa, ya que normalmente tendrá que interactuar de un modo u otro con todos los demás componentes de la placa. Los CI más pequeños que se conectan directamente con el procesador central pueden colocarse alrededor del CI central para que el enrutamiento entre los componentes se mantenga corto y directo. A continuación, los periféricos pueden colocarse alrededor de la placa de circuito impreso para conseguir la funcionalidad necesaria.

Una vez colocados los componentes, puedes configurar las herramientas de diseño de PCB para que te ayuden a iniciar el enrutamiento del mismo. Esta parte del diseño de circuitos digitales de alta velocidad es algo delicada, ya que un enrutamiento incorrecto puede malograr la integridad de la señal. Sin embargo, si los pasos anteriores se han llevado a cabo correctamente, la integridad de la señal es mucho más fácil de conseguir. Debes definir el perfil de impedancia en las reglas de diseño de la PCB para que todas las rutas del diseño se establezcan con el ancho, la separación y el espaciado adecuados para mantener la impedancia controlada durante el enrutamiento.

Enrutamiento, integridad de la señal e integridad de la energía de la PCB

La integridad de la señal empieza con el diseño de la placa para un valor de impedancia específico, para después procurar mantenerlo durante todo el proceso de disposición y enrutamiento. Otras estrategias para garantizar la integridad de la señal son:

• Tratar de acortar los trazados entre los componentes para garantizar la alta velocidad de las señales.
• Intentar minimizar el enrutamiento a través de vías, idealmente utilizando únicamente dos vías de entrada y salida de una capa interna.
• Eliminar los empalmes (stubs) en las líneas de ultra alta velocidad con perforación posterior (por ejemplo, Ethernet 10G+).
• Prestar atención a la necesidad de utilizar resistencias de terminación para evitar la reflexión de la señal. Comprobar en las hojas de datos si se da una terminación en matriz.
• Consultar con el fabricante qué materiales y procesos pueden ayudarte a evitar los efectos de la trama de fibras.
• Utilizar un cálculo aproximado de la diafonía o una simulación para determinar el espacio adecuado entre las redes en el diseño de la placa de PCB.
• Mantener una lista de los buses y redes que requieran de una coincidencia de longitudes de manera que se puedan aplicar estructuras de ajuste para eliminar el desfase.

Estos puntos importantes pueden codificarse como reglas de diseño en las herramientas de enrutamiento, lo que te ayudará a garantizar el cumplimiento de las mejores prácticas en el diseño de alta velocidad.

Enrutamiento de PCB de alta velocidad

A medida que vayas trazando las pistas, las reglas que hayas definido para tu proyecto de diseño de PCB de alta velocidad te garantizarán el cumplimiento de los objetivos de impedancia, espaciado y longitud. Además, es posible imponer reglas importantes en el enrutamiento de pares diferenciales, en concreto la minimización de los desajustes de longitud, a fin de prevenir el desfase y la imposición del espacio entre trazados para garantizar que se cumplan los objetivos de impedancia diferencial. Las mejores herramientas de enrutamiento te permitirán codificar los límites de la geometría de los trazados como reglas de diseño para que puedas garantizar el rendimiento.

Uno de los puntos más importantes en el enrutamiento de las PCB de alta velocidad es colocar los planos de tierra cerca de los trazados. La pila de capas debe construirse de modo que haya planos de tierra en las capas adyacentes a las señales de impedancia controlada, para que se mantenga una impedancia constante y se defina una ruta de retorno clara en la disposición de la PCB. Para evitar una discontinuidad de impedancia que cree un problema de EMI, las pistas no deben pasar por huecos o divisiones en los planos de tierra. La colocación del plano de tierra no se limita a asegurar la integridad de la señal, sino que también desempeña un papel en la integridad de la energía y en asegurar una provisión estable de energía.

Integridad de la energía

La integridad de la alimentación (o integridad de la potencia) es un tema muy extenso y de gran relevancia en el diseño de PCB de alta velocidad. Garantizar un suministro de energía estable a los componentes de alta velocidad es de vital importancia en el diseño de PCB, ya que los problemas de integridad de la potencia pueden quedar "disfrazados" como problemas de integridad de la señal. La integridad de la energía se centra en el suministro de energía con poco ruido a los componentes. El stackup de PCB y el diseño de la PDN son los principales factores que determinan el nivel de integridad de la potencia en un diseño digital. Si se realizan correctamente, la alimentación se suministrará a componentes digitales rápidos con bajo ruido y oscilaciones transitorias muy débiles en los rieles de potencia. Diseñar una PCB de alta velocidad con buena integridad de potencia garantiza las bajas emisiones, el suministro de energía con poco ruido y la eliminación de algunos problemas de integridad de la señal observados en las interconexiones de alta velocidad.

• Más información sobre la integridad de la potencia en los sistemas digitales

Herramientas avanzadas para el diseño y disposición de alta velocidad

El mejor software de diseño de PCB de alta velocidad reunirá todas estas funciones en una única aplicación, en lugar de obligarte a utilizar flujos de trabajo independientes superar los distintos retos que plantea el diseño. Los diseñadores de PCB de alta velocidad deben invertir muchos esfuerzos en la fase inicial para garantizar la integridad de la señal, la integridad de la potencia y la compatibilidad electromagnética, pero las herramientas de diseño de alta velocidad adecuadas pueden ser de gran ayuda a la hora de implementar los resultados en forma reglas para garantizar que el diseño funcione como se espera.

Los programas de diseño de PCB más avanzados se interconectan con las aplicaciones de simulación para ayudarte a llevar a cabo los análisis estándar del sector. Algunos programas de simulación están orientados específicamente a evaluar la integridad de la señal (en inglés: signal integrity o SI) y la integridad de la potencia energética (en inglés: power integrity o PI) en un nuevo diseño, así como a examinar la interferencia electromagnética (EMI) en un diseño de PCB. Las simulaciones son muy útiles en el diseño de alta velocidad, ya que pueden ayudar a los usuarios a detectar problemas específicos de SI/PI/EMI antes de llevar el diseño a la etapa de fabricación. Algunos ejemplos incluyen el seguimiento de la trayectoria de retorno, la localización de discontinuidades de impedancia en las pistas y la colocación idónea de los condensadores de desacoplamiento para evitar la EMI.

Cuando necesites construir sistemas digitales avanzados de alta velocidad y la vez debas asegurarte de mantener la integridad de la señal y de la energía, utiliza el mejor conjunto de herramientas de diseño y disposición de alta velocidad, desarrollado sobre un motor de diseño basado en reglas. Independientemente de que necesites configurar un ordenador monoplaca compacto o una PCB de señal mixta compleja, las mejores herramientas de diseño de PCB te ayudarán a ser flexible en el desarrollo de tu PCB de alta velocidad.

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