Cómo garantiza la fiabilidad el diseño de las placas de circuito impreso

¿Qué es la disposición de placas de circuito impreso y cuál es su importancia?

Si quiere garantizar la fiabilidad de los productos PCB, primero debe hacer las tres cosas siguientes

1. ¿Qué es el PCB?
2. ¿Por qué el diseño de PCB?
3. Diseño de PCB: Cómo garantizar la fiabilidad？

1. ¿Qué es el PCB?

PCB es el soporte central de los productos electrónicos modernos, que conecta varios componentes electrónicos mediante una alineación precisa de las láminas de cobre para realizar la función del diseño de circuitos y proporcionar soporte mecánico.

Símbolos y terminología de los componentes electrónicos

Abreviaturas normalizadas de componentes electrónicos

• RES: Resistencia
• CAPCondensador
• IND: Inductor
• LEDDiodo emisor de luz
• ICCircuito integrado

Terminología electrónica PCB

• Tensión (V): Diferencia de potencial, medida en voltios
• Corriente (I): Flujo de electrones, medido en amperios
• Resistencia (R): Capacidad de impedir la corriente, medida en ohmios.
• Ley de Ohm: V = I×R
• Leyes de Kirchhoff: Incluida la Ley de la Corriente (KCL) y la Ley de la Tensión (KVL)

Estructura de las capas de la placa de circuito impreso y selección de materiales

Tipos comunes de estructura de capas de PCB:

1. Tableros de una cara: El más barato, adecuado para circuitos sencillos
2. Tableros de doble cara: Trazas a ambos lados conectadas a través de vías
3. Placas multicapa (4-12 capas): Preferido para circuitos complejos con planos de potencia y tierra dedicados.

Materiales de sustrato habituales:

• FR-4: Laminado epoxi reforzado con fibra de vidrio, el más utilizado
• Materiales de alta frecuencia, Como Rogers RO4003C para circuitos de RF
• Materiales flexibles: Poliamida para circuitos plegables

2. ¿Por qué el diseño de PCB?

La disposición de la placa de circuito impreso se refiere al diagrama esquemático en el proceso real de diseño de la placa de circuito impreso, incluida la colocación de componentes, la planificación de la alineación, la conexión entre capas y otros pasos clave.Un diseño de PCB excelente no sólo garantiza que el circuito funcione correctamente, sino que también mejora significativamente la compatibilidad electromagnética (EMC), el rendimiento térmico y la fiabilidad a largo plazo del producto.
Según las estadísticas, alrededor del 70% de los fallos de los productos electrónicos se deben a Diseño de PCB en lugar de defectos en los propios componentes. Por lo tanto, dominar las habilidades profesionales de diseño de PCB es fundamental para los ingenieros electrónicos.
Entender claramente Después de entender claramente los dos puntos anteriores, hoy exploraremos principalmente el tercer punto.¿Qué hay que hacer para garantizar la fiabilidad de la placa de circuito impreso?

PCB layout： How to ensure reliability？

Principios básicos y técnicas de diseño de placas de circuito impreso

Normas de colocación de componentes

• Principio de separación mínima:

• ≥2mm distance between components and board edge (5mm recommended)
• Espacio entre componentes de alta tensión: Añadir al menos 1 mm por cada 1000 V

• Partición funcional:

• Separación estricta de circuitos digitales/analógicos
• Zonas dedicadas a circuitos de alta frecuencia
• Arrangement following signal flow (input → processing → output)

• Coherencia de la orientación:

• Todos los componentes deben mantener la misma orientación (horizontal o vertical)
• Marcas de polaridad claras para componentes polarizados

• Consideraciones sobre la soldadura:

• Espacio entre componentes para soldadura por ola: 50- 100 mil (1,27-2,54 mm)
• La soldadura por reflujo permite una separación ligeramente menor

Aspectos básicos del diseño de planos de potencia y de tierra

La integridad de la alimentación afecta directamente a la estabilidad del sistema. Los diseños excelentes deben:

• Estrategia de capas:

• Capas dedicadas de alimentación y tierra en placas multicapa
• Planos de potencia/tierra adyacentes que forman capacitancia natural

• Especificaciones de trazado:

• Anchura de la traza de tierra > traza de potencia > traza de señal
• Trazados de potencia críticos con topologías en estrella o en red

• Colocación del condensador de desacoplamiento:

• 0.1μF capacitor near each power pin
• One 10μF bulk capacitor per 5-10 ICs
• Los condensadores se colocan lo más cerca posible de las clavijas de alimentación

1. Técnicas de puesta a tierra:

• Conexión de un solo punto para tierras digitales/analógicas
• Puesta a tierra multipunto para circuitos de alta frecuencia
• Evitar bucles de masa

Placa de circuito impreso de gestión ordinaria de la integridad de la señal

• Enrutamiento prioritario:

• Encaminar primero los relojes y los pares diferenciales de alta velocidad
• Mantener la misma longitud, enrutamiento simétrico

• Regla 3W:

• Center-to-center spacing ≥3×trace width
• Reduce la diafonía

• Control de impedancia:

• Calcular la impedancia característica para señales de alta velocidad
• Mantener una impedancia constante en pares diferenciales

• Mediante la optimización:

• Minimizar las vías en las señales de alta velocidad
• Utilice vías ciegas/enterradas cuando sea necesario

Técnicas prácticas de diseño CEM/EMI

Control de los tres elementos de la EMI

• Supresión de fuentes de ruido:

• Circuitos de reloj de blindaje
• Use π-filters for switching power supplies
• Añadir pequeñas resistencias en serie a los dispositivos de conmutación rápida

• Bloqueo de la trayectoria de acoplamiento:

• Mantenga las señales sensibles alejadas de las fuentes de ruido
• Utilice trazas de protección para las señales críticas
• Aumentar la distancia entre capas

• Protección de circuitos sensibles:

• Separe los circuitos analógicos de las áreas digitales
• Vertido local de cobre para circuitos de alta frecuencia
• Aplicar choques de modo común

Métodos de aplicación

• Estrategia de apilamiento:

• Pila típica de 4 capas: Señal-Tierra-Energía-Señal
• Las placas de 6 capas pueden añadir capas de enrutamiento dedicadas

• Técnicas de filtrado:

• Condensadores electrolíticos a granel en las entradas de alimentación
• Condensadores cerámicos de desacoplamiento en las patillas de alimentación del CI
• π-type or T-type filters for signal lines

• Medidas de blindaje:

• Vertido local de cobre en zonas sensibles
• Escudos metálicos cuando sea necesario
• Perlas de ferrita en los puertos de los cables

Problemas comunes de diseño de PCB y soluciones

Problema 1: ¿Cómo resolver la reflexión de señales en circuitos de alta velocidad?

Soluciones:

• Adaptación de impedancias: terminación fuente-serie o extremo-paralelo
• Aplicar estrategias de terminación adecuadas: Paralelo, Thevenin, etc.
• Controle la longitud de las trazas:Mantén las trazas de alta velocidad cortas y rectas
• Avoid sharp angles: Use 45° or curved corners

Problema 2: ¿Cómo optimizar la red de distribución de energía (PDN) en placas multicapa?

Soluciones:

• Diseño de planos de potencia de baja impedancia
• Combinaciones adecuadas de condensadores de desacoplamiento (valores grandes + pequeños)
• Utilizar herramientas de análisis de la integridad de la energía para la simulación
• Añada planos de alimentación locales cerca de los circuitos integrados críticos
• Mantener un acoplamiento estrecho entre los planos de potencia y tierra

Problema 3: ¿Cómo reducir eficazmente las interferencias de los circuitos digitales con los analógicos?

Soluciones:

• Separación física: Mantener una separación mínima de 5 mm
• Separación de planos de tierra:Conexión de un solo punto para tierras digitales/analógicas
• Fuente de alimentación independiente:Utiliza LDO para las secciones analógicas
• Aislamiento de señales:Optoacopladores o acopladores magnéticos para señales de digital a analógico.
• Optimización del diseño:Coloque los circuitos analógicos cerca de los bordes de la placa para reducir las vías de interferencia.

Resumen

Un diseño de PCB excelente es la piedra angular de la calidad de los productos electrónicos.Siguiendo los principios y consejos que se indican a continuación, puede mejorar considerablemente el éxito de su diseño:

1. Planificar primero: Completar la partición funcional y el diseño de la pila antes de empezar.
2. Prioridad de potencia: Dedicar esfuerzos suficientes a optimizar la distribución de energía
3. Enfoque de la señal: Enruta primero las señales críticas para garantizar la integridad
4. Diseño CEM: Controle la IEM en su origen en lugar de repararla a posteriori
5. Pruebas de verificación: Utilice las comprobaciones DRC y las simulaciones necesarias para validar los diseños.

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