Una guía sobre el diseño de PCB esencial para cada diseñador

No es raro que los ingenieros den prioridad a los circuitos, los componentes avanzados y el código en los proyectos de electrónica, mientras que el diseño de la PCB, un elemento crucial, a veces se pasa por alto. Un diseño inadecuado de la PCB puede dar lugar a problemas funcionales y de fiabilidad. Este artículo ofrece consejos prácticos para garantizar el funcionamiento y la fiabilidad óptimos de sus proyectos de PCB.

Dimensionamiento de trazas

Las pistas de cobre tienen una resistencia natural que puede provocar caídas de tensión, disipación de potencia y aumentos de temperatura cuando fluye corriente a través de ellas. Los diseñadores de PCB abordan este problema realizando ajustes en la longitud, el grosor y el ancho de las pistas. Dado que las propiedades físicas del cobre son fijas, es esencial optimizar el tamaño de las pistas para controlar eficazmente la resistencia.

El espesor de las trazas de PCB se mide en onzas de cobre. Por ejemplo, una onza de cobre equivale a un espesor de 1,4 milésimas de pulgada, suponiendo una distribución uniforme sobre un área de un pie cuadrado. Si bien muchos diseñadores utilizan 1 oz o 2 oz de cobre, algunos fabricantes de PCB pueden proporcionar un espesor de hasta 6 oz. Es importante tener en cuenta que la producción de características finas, como pines muy espaciados, puede ser un desafío con cobre más grueso. Es recomendable consultar con el fabricante de PCB para comprender sus capacidades.

Para determinar el grosor y el ancho óptimos de las pistas, recomendamos utilizar una calculadora de ancho de pista de PCB en función de su aplicación específica. El objetivo es lograr un aumento de temperatura de aproximadamente 5 °C. Si hay suficiente espacio en la placa, se recomienda optar por pistas más anchas, ya que son rentables. Cabe señalar que, en el caso de las placas multicapa, las pistas de las capas externas tienen una refrigeración superior en comparación con las de las capas internas. Esto se debe al hecho de que el calor de las capas internas debe pasar a través de varias capas de cobre y material de PCB antes de disiparse o conducirse.

Mantenga los bucles pequeños

Es aconsejable mantener los bucles, especialmente a altas frecuencias, lo más compactos posible. La reducción del tamaño del bucle da como resultado una disminución tanto de la inductancia como de la resistencia. La colocación de los bucles sobre un plano de tierra sirve para minimizar aún más la inductancia, lo que a su vez ayuda a reducir el voltaje de alta frecuencia. Además, los bucles compactos minimizan el acoplamiento inductivo de fuentes externas y la transmisión desde el nodo, lo que es ventajoso en la mayoría de los casos, excepto cuando se diseña una antena. Es de suma importancia mantener bucles pequeños en los circuitos de amplificadores operacionales para evitar que el ruido se acople al circuito.

Colocación de condensadores de desacoplamiento

Se recomienda colocar los condensadores de desacoplamiento lo más cerca posible de los pines de alimentación y de tierra de los circuitos integrados para optimizar el rendimiento del desacoplamiento. Colocar los componentes a una distancia mayor puede provocar la introducción de inductancia parásita.

Conexiones Kelvin

La detección de cuatro terminales, también conocida como detección Kelvin, debe su nombre a William Thomson, Lord Kelvin, quien desarrolló el puente Kelvin en 1861 para la medición precisa de resistencias muy bajas. En este método, cada par de cables se denomina conexión Kelvin.

Las conexiones Kelvin son esenciales para realizar mediciones precisas, ya que se colocan en puntos exactos para minimizar la inductancia y la resistencia parásita. Por ejemplo, al medir una resistencia de detección de corriente, es esencial colocar las conexiones directamente en las almohadillas de la resistencia, en lugar de en puntos arbitrarios de las trazas. Si bien el esquema puede parecer similar independientemente de si las conexiones se realizan en las almohadillas o en cualquier otro lugar, es importante tener en cuenta que las trazas reales tienen inductancia y resistencia que pueden afectar la precisión de la medición si no se utilizan conexiones Kelvin.

Separar las trazas digitales y ruidosas de las trazas analógicas

Es importante tener en cuenta que las trazas o los conductores paralelos tienen el potencial de crear capacitancia, lo que puede dar lugar a un acoplamiento capacitivo entre señales, en particular a frecuencias altas. Para evitar posibles problemas con ruido no deseado, es esencial mantener una separación clara entre las trazas ruidosas y de alta frecuencia y las sensibles.

El suelo no es suelo

Es importante tener en cuenta que la tierra no es un conductor perfecto. Por lo tanto, es fundamental alejar las tomas de tierra ruidosas de las señales sensibles para mantener una calidad de señal óptima. Es esencial garantizar que las trazas de tierra sean lo suficientemente anchas para dar cabida al flujo de corriente previsto. Colocar un plano de tierra directamente debajo de las trazas de señal es un método eficaz para reducir la impedancia, lo que resulta beneficioso para mantener la integridad de la señal.

Por tamaño y cantidad

Las vías contribuyen a la inductancia y resistencia generales de un circuito. En los casos en que se debe pasar una pista a través de una placa de circuito impreso (PCB) y se requiere una inductancia o resistencia bajas, es recomendable considerar el uso de múltiples vías. Las vías más grandes reducen la resistencia, lo que las convierte en un recurso invaluable para la conexión a tierra de capacitores de filtro y nodos de alta corriente.

Usando la PCB como disipador de calor

Se recomienda agregar cobre adicional alrededor de los componentes de montaje superficial para aumentar el área de superficie y lograr una disipación de calor más eficiente. Es una práctica común que las hojas de datos de los componentes, en particular las relacionadas con diodos de potencia, MOSFET o reguladores de voltaje, proporcionen pautas para la utilización del área de superficie de la PCB como disipador de calor.

Vías térmicas

Las vías facilitan la transferencia de calor de un lado de una PCB al otro, lo que resulta ventajoso cuando la PCB está montada en un disipador de calor o chasis para una mejor disipación del calor. Es más eficaz utilizar vías más grandes para la transferencia de calor que pequeñas. Además, el uso de múltiples vías suele ser más eficiente que depender de una sola vía. Esto da como resultado una reducción de la temperatura de funcionamiento de los componentes, lo que a su vez mejora su fiabilidad.

Alivio térmico

El alivio térmico es una técnica de soldadura que utiliza pequeñas conexiones entre una pista o relleno y un pin del componente para agilizar el proceso de soldadura. Estas conexiones se mantienen cortas para minimizar la resistencia eléctrica, lo que es beneficioso desde un punto de vista de ingeniería. Sin alivio térmico, si bien los componentes pueden lograr una mejor disipación térmica debido a una conexión más directa a las pistas o rellenos que disipan el calor, soldar y desoldar el componente puede volverse más desafiante.

Espaciado entre trazos y orificios de montaje

Es importante mantener la distancia adecuada entre las trazas o rellenos de cobre y los orificios de montaje para reducir el riesgo de descargas eléctricas. Es importante tener en cuenta que la máscara de soldadura no proporciona un aislamiento fiable. Por lo tanto, es esencial garantizar que haya suficiente distancia entre las áreas de cobre y los herrajes de montaje.

Componentes sensibles al calor

Es importante asegurarse de que los componentes sensibles al calor se mantengan separados de los que generan calor. Algunos ejemplos de componentes sensibles al calor son los termopares y los condensadores electrolíticos. Es importante tener en cuenta que la ubicación de los termopares cerca de fuentes de calor puede dar lugar a lecturas de temperatura inexactas, mientras que la ubicación de los condensadores electrolíticos cerca de componentes que generan calor puede tener un impacto perjudicial en su vida útil. Los componentes que generan calor incluyen rectificadores de puente, diodos, MOSFET, inductores y resistencias. La cantidad de calor producida por estos componentes depende de la corriente que fluye a través de ellos.

Conclusión

En este artículo se han presentado consejos esenciales para el diseño de PCB que pueden mejorar significativamente la funcionalidad y la confiabilidad de su diseño. Asegúrese de aplicar estos principios en su trabajo.