Una guía esencial sobre el diseño de PCB para cada diseñador

Es común que los ingenieros prioricen circuitos, componentes avanzados y código en proyectos electrónicos, mientras que el diseño de la PCB, un elemento crucial, a veces se pasa por alto. Un diseño inadecuado de la PCB puede generar 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 causar caídas de tensión, disipación de potencia y aumentos de temperatura cuando la corriente fluye a través de ellas. Los diseñadores de PCB solucionan este problema ajustando 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 0,9 metros cuadrados. Si bien muchos diseñadores utilizan 28 o 56 g de cobre, algunos fabricantes de PCB pueden ofrecer espesores de hasta 177 g. Es importante tener en cuenta que la producción de características finas, como pines con poca separación, puede ser difícil con cobre más grueso. Se recomienda consultar con el fabricante de su PCB para comprender sus capacidades.

Para determinar el grosor y el ancho óptimos de sus pistas, recomendamos usar una calculadora de ancho de pista de PCB según 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 más rentables. Cabe destacar que, en las placas multicapa, las pistas de las capas externas ofrecen una refrigeración superior a las de las capas internas. Esto se debe a que el calor de las capas internas debe atravesar varias capas de cobre y material de PCB antes de disiparse o conducirse.

Mantenga los bucles pequeños

Es recomendable mantener los bucles, especialmente a altas frecuencias, lo más compactos posible. La reducción del tamaño del bucle resulta en una disminución tanto de la inductancia como de la resistencia. La colocación de los bucles sobre una placa de tierra minimiza 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 cual es ventajoso en la mayoría de los casos, excepto al diseñar una antena. Es fundamental 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 tierra de los circuitos integrados para optimizar el rendimiento del desacoplamiento. Colocar los componentes a mayor distancia 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 resistencia parásita y la inductancia. Por ejemplo, al medir una resistencia de detección de corriente, es fundamental 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 presentan 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 conductores paralelos pueden generar capacitancia, lo que puede provocar un acoplamiento capacitivo entre señales, especialmente a altas frecuencias. Para evitar posibles problemas con ruido no deseado, es fundamental mantener una clara separación entre las trazas de alta frecuencia y ruidosas, 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 crucial alejar las tierras ruidosas de las señales sensibles para mantener una calidad óptima de la señal. Es fundamental asegurar que las pistas de tierra sean lo suficientemente anchas para acomodar el flujo de corriente previsto. Colocar un plano de tierra directamente debajo de las pistas de señal es un método eficaz para reducir la impedancia, lo cual beneficia la integridad de la señal.

Por tamaño y cantidad

Las vías contribuyen a la inductancia y resistencia generales de un circuito. Cuando se requiere una baja inductancia o resistencia, se recomienda 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 condensadores de filtro y nodos de alta corriente.

Usando la PCB como disipador de calor

Se recomienda añadir cobre adicional alrededor de los componentes de montaje superficial para aumentar la superficie y lograr una disipación térmica más eficiente. Es habitual que las hojas de datos de los componentes, en particular las de diodos de potencia, MOSFET o reguladores de tensión, incluyan directrices para el uso de la superficie de la PCB como disipador térmico.

Vías térmicas

Las vías facilitan la transferencia de calor de un lado a otro de la PCB, lo cual resulta ventajoso cuando la PCB se monta sobre un disipador térmico o chasis para una mejor disipación del calor. Es más eficaz usar vías más grandes para la transferencia de calor que las más pequeñas. Además, usar múltiples vías suele ser más eficiente que usar una sola. Esto reduce 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. Estas conexiones son cortas para minimizar la resistencia eléctrica, lo cual resulta beneficioso desde el punto de vista de la ingeniería. Sin alivio térmico, si bien los componentes pueden lograr una mejor disipación térmica gracias a una conexión más directa con las pistas o rellenos que disipan el calor, soldar y desoldar el componente puede resultar más complicado.

Espaciado entre trazas y orificios de montaje

Es importante mantener la distancia adecuada entre las pistas o rellenos de cobre y los orificios de montaje para reducir el riesgo de descarga eléctrica. Cabe destacar que la máscara de soldadura no proporciona un aislamiento fiable. Por lo tanto, es fundamental asegurar una distancia suficiente entre las zonas 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. Cabe destacar que la ubicación de los termopares cerca de fuentes de calor puede generar lecturas de temperatura inexactas, mientras que la ubicación de los condensadores electrolíticos cerca de componentes que generan calor puede afectar negativamente su vida útil. Los componentes que generan calor incluyen rectificadores de puente, diodos, MOSFET, inductores y resistencias. La cantidad de calor que producen estos componentes depende de la corriente que circula por ellos.

Conclusión

Este artículo presenta consejos esenciales para el diseño de PCB que pueden mejorar significativamente la funcionalidad y la fiabilidad de su diseño. Asegúrese de aplicar estos principios en su trabajo.