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Errores más comunes al momento de crear una PCB

Buenos días estimados lectores. En el día de hoy vamos a ver un tema de suma importancia, y es acerca de los errores más comunes que hay al momento de diseñar y quemar una PCB o un circuito electrónico. Comencemos.

Al momento de crear una PCB lo que hacemos es utilizar con software de diseño electrónico, lo cual si no se tiene un conocimiento adecuado del funcionamiento de este, podría generar errores en cuanto al trazado de rutas y/o distribución de los componentes.

Figura 1: Tarjeta electrónica con bloque de potencia
y componentes correctamente disipados y espaciados

Distribución de los componentes

La distribución de los componentes se da dependiendo de la estética del circuito que se este manejando, así como el tamaño y tipos de componentes. Por ejemplo, si estamos diseñando un circuito el cual va a trabajar o va a circular bastante tensión y por tal razón la disipación de corriente tendrá un efecto térmico, deberemos asegurarnos que los componentes tengan un correcto flujo de aire y que estén disipados, (Figura 1). Muchas veces las personas por el afán de dejar una tarjeta electrónica lo más diminuta posible, lo que hace es diseñarla de tal forma que los componentes queden pegados un con el otro.Esto es un error muy frecuente, por que al calentarse los componentes lo que se esta haciendo es generar más calor del que se puede dispar y por tal motivo dañaran sus componentes o acortaran la vida útil de estos.

Figura 2: Separación del bloque digital y el bloque análogo

Separación de señales análogas y digitales

Se tiende a pensar que los componentes análogos y digitales se separan, con una tierra ranurada o separada, pero la realidad es que es más importante la ubicación adecuada, en especial no contaminar las pistas digitales, cuando pasan cerca de la parte análoga, se acoplan vertical u horizontalmente a una pista análoga (o viceversa), o cuando pasa una pista digital sobre una tierra o alimentación análoga (o viceversa), (Figura 2). Recordemos que acá hay un factor importante, y es el diferenciamiento de lo que son las pistas pertenecientes a la tierra, al retorno de linea y al VCC, por consiguiente también al momento de ubicar la parte analógica y la parte digital, deberemos tener en cuenta que cerca de estas partes o hayan retornos para así evitar tensiones parásitas que nos provoquen datos inexactos, por ejemplo en un ADC.

Figura 3: Pistas no ortogonales

Ángulo de ruteo de las pistas

Figura 4: Pistas ortogonales

Los ángulos de las pistas casi siempre las diseñan de manera ortogonal, (Figura 4), y esto es algo incorrecto. El ángulo de ruteo deberá evitar a toda costa la ortogonalidad de las pistas de cobre, (Figura 3), para así evitar que se esto generaba un efecto antena de radiación o emisión electromagnética, debido al cambio de impedancia de la pista en el ángulo de 90º. Con el tiempo y estudios, se comprobó que esto es crítico para frecuencias mas allá de 50Mhz, por tanto es suficiente con trazar ángulos de 45º, para evitar, para ángulos mayores de 45º y menores de 90º se pueden presentar perdidas entre el 5 y el 9% de la señal. Sin embargo en frecuencias de 500Mhz o más, es recomendable que los trazos empiecen a ser redondeados o curvos.

Figura 5: Etiquetado de pistas VCC y GND

Diferenciar el GND, el VCC, y retornos de señales

Usualmente se rutean las pistas pensando en conectar simplemente puntos, nodos, pads o conexiones electrónicas, sin tener en cuenta, desde donde se distribuye y hacia adonde la alimentación, o por donde viaja y como retorna la señal. Se debe tener en cuenta como se traza la alimentación y las señales, y por donde está el retorno, tierra o GND de estas. (Texas Designer, 2005). Es necesario identificar por lo menos las pistas más importantes, como lo son la de alimentación, la tierra y las de adquisición de datos, (Figura 5). En el momento de verificar el correcto funcionamiento de un circuito esto será muy importante ya que en alguna posible falla, optaremos por ver el esquemático y analizar las pistas ya identificadas, para sí encontrar con brevedad el error del diseño.

Figura 6: Zona de cobre etiquetada como GND, y
los pads correspondientes a los tornillos que travesearán la tarjeta

Zonas de cobre o planos a tierra

Esas zonas de cobre en circuitos de una o dos capas, o planos para circuitos multicapa, tienen las ventajas de reducir la impedancia parásita de la tierra, lo que reduce ampliamente las emisiones electromagnéticas no intencionales (EMI), así como mejorar el desempeño de los circuitos. Por lo general, estas zonas son las que más olvidan al momento de diseñar una PCB, y muchas veces al momento de quemar la baquela y montar y ensamblar el circuito, y posteriormente comprobar su funcionamiento, no trabajará como deseamos.
Además de lo anterior es de tener en cuenta el diseño mecánico al momento de crear las zona de tierra de nuestra tarjeta electrónica. Cuando diseñamos las cajas, o carcasas, deberemos por lo general optar por ajustar nuestra PCB a la base de la caja con tornillos, esto con el fin de aprovechar la tierra externa que nos esta dando la estructura de la caja y poder interconectarla con la tierra de nuestra tarjeta electrónica, (Figura 6). Esto para cuando la carcasa la caja de nuestra tarjeta es de metal, o que en algún punto de su diseño haya alguna referencia de tierra. Entonces al momento de sujetar esta tarjeta a la base de la caja, tendrá que pasar por un agujero previamente planeado y diseñado de tal forma que nos proporcione una paca o zona de cobre un poco más ancho que el diámetro del tornillo, y asegurándonos que esta interconectado con la tierra del circuito. (No para todos los circuitos es necesario esto.).

Figura 7: Ancho de pistas con respecto a la intensidad soportada

Ancho de las pistas

Las pistas son como cables, en el cableado de una casa. En electrónica, la casa son los PCB, y las pistas sus cables. La capacidad de conducir la corriente en una pista está determinada por la temperatura, el espesor del cobre (altura de la pista) y el grosor o ancho de la pista, estos dos últimos se llaman sección cruzada o área de la pista (Área=grueso x ancho).
Si la pista no tiene el área cruzada adecuada, la pista se quema o no conduce la corriente. Usualmente se consigue en internet la siguiente tabla (Figura 7), donde explica que de acuerdo a la corriente que circulara por la pista, y el cambio de la temperatura que va a sufrir la pista, se elige un área cruzada, que corresponde a un ancho de la pista si la misma pista tiene un espesor definido. Para el ejemplo 1, para 1 amperio de corriente, con 1/2 onza de cobre (17 micrómetros, 0.0007”, le corresponde una pista de alrededor de 40 mils, 0.040” – 1mm) (Electronics Exchange, 2017). Según nuestra experiencia, es muy optimista esta tabla y se da en condiciones ideales o de laboratorio. En la vida diaria, y teniendo en cuenta el peor caso, que siempre ocurre, es mejor utilizar esta tabla (para 1 onza de cobre, 35 micrómetros).

Escrito por: Breismam Alfonso Rueda Díaz

Fuentes:

Al Delta Innovación y tecnología. Curso virtual diseño de circuitos impresos PCB con normas Internacionales. www.aldelta.com.co 2015. Bogotá, Colombia.
Altera, resource center. https://www.altera.com/support/support-resources/support- centers/board-design-guidelines.html 2017.
Electronics Exchange. Julio 2017. https://electronics.stackexchange.com/questions/5403/standard-pcb-trace-widths
IPC Association Connecting Electronics Industries. (2003). IPC 2221 Generic Standar of printed board Design. Bannockburn, IL: IPC.
Mitzner, Krai . Complete PCB Design Using Orcad Capture and Layout. 2010.
Topology Planning and Routing, Dean Wiltshire, SDD product architect - Mentor Graphics Corporation
Qualiy Eco Circuits Py Ltda. (3 de 3 de 2015). PCB Design Guidelines. Recuperado el 1 de 1 de 2016, de http://www.qualiecocircuits.com.au/pcb-design-guidelines.htm
Texas Designer. (2005). Experiences in PCB Design. Texas: Self.