Maestría en electrónica Industrial.
Diseño asistido por computadora.
Profesor
Dr. J. Ernesto Rayas Sánchez
Diseño de PCB’s de alta velocidad.
Moisés Castañeda Fonseca.
Extracto.
El presente documento pretende dar una guía rápida de consulta para el diseño de PCB’s, comenzando con
un rápido repaso de ciertos puntos que deben ser tomados en un diseño electrónico, las bases en el diseño de
los PCB’s y finalmente con una rápida vista de algunos puntos de estudio en PCB’s de alta velocidad.
Adicionalmente, se ejemplifican algunos de los últimos puntos en un programa de CAD (PROTEL).
Introducción.
La importancia del diseño de un PCB.
El diseño de PCB es un punto muy importante en el éxito o fracaso de un proyecto. Aún que no es muy
notoria su importancia dado que el tiempo en horas ingeniero que lleva su diseño no es muy alto, el buen
diseño de un PCB define si el resto del sistema funcionará o no bajo los términos previstos.
Usualmente la capacitación adecuada para el buen diseño de un PCB no es accesible muy fácilmente,
teniendo que ser desarrollada con base en la experiencia por parte de los ingenieros. Esta situación motiva a
muchas empresas a subcontratar estos servicios.
Con base en experiencias personales, se crea el presente documento como una guía de diseño para ayudar a
un ingeniero recién egresado a reconocer una serie de errores comunes, a darle un apoyo en la creación de un
PCB y adicionalmente se comenta de algunos temas que le pueden ayudar en el análisis de un PCB de alta
velocidad, así como el uso de la herramienta de diseño PROTEL como un ejemplo de la necesidad de este
tipo de apoyos en la creación de un producto exitoso.
Elección de componentes. (Diseñando con el enemigo.)
El diseño exitoso de un sistema, comienza desde la elección de los componentes que lo conforman.
Capacitores.
Los capacitores son elementos básicos usados en todo diseño para eliminar las variaciones del voltaje de
alimentación, debidos a los cambios repentinos de consumo inherentes a la mayoría de los circuitos
integrados actuales. ¿Cuántos de nosotros pusimos un surtido de capacitores electrolíticos de aluminio para
“desacoplar” el ruido presente en las líneas de alimentación en nuestra primera práctica de electrónica
digital? ¿No era la acción correcta?
La elección de un capacitor no siempre es tan simple como se ve. Es normal que un ingeniero que recién
egresa de la universidad no tenga claras las diferencias que presentan en su comportamiento un capacitor
electrolítico de los cerámicos monolíticos u otros. Todos estos conocimientos son adquiridos con el tiempo,
algunas veces en las prácticas universitarias pero muchos otros puntos se aprenden hasta que se trabaja
profesionalmente.
A continuación se reúnen algunos temas de los capacitores que no siempre se conocen del todo en la práctica.
En ésta tabla se ilustra los rangos de frecuencia en que se comportan mejor los capacitores de diferentes
tipos. Es necesario aclarar que la mejor práctica es revisar la información presentada en una hoja técnica de la
familia del componente elegido y revisar sus parámetros, dado que la tecnología cambia constantemente y
con ello también las características de todo componente.
Esto ilustra porqué nuestra primera práctica de digital seguía con ruido en la alimentación pese a nuestro
“poderoso” capacitor de 2200 micofaradios y porqué los “mother board” usan un grupo de capacitores
cerámicos distribuidos por todos los puntos.
Otro punto poco conocido con respecto a los capacitores es la elección del voltaje de operación adecuado.
Reemplazar capacitores electrolíticos con otro de mucho mayor voltaje de operación no es buena idea, dado
que el dieléctrico no se comporta igual en los puntos bajos de su valor de operación.
Así mismo es importante revisar en las características técnicas los valores de corrientes máximos que
soporta. Los valores bajos de resistencia en serie (Equivalent Series Resistance ERS ) permiten el manejo de
mas corriente sin calentamientos y otros efectos desagradables.
Familias lógicas.
La correcta elección de la familia lógica a emplear es un tema muy popular, sin embargo hay una tendencia a
usar familias mas rápidas de lo necesario. Esta tendencia suele afectar cuando otros efectos comienzan a ser
mas importantes, como por ejemplo la distancia que recorrerá la señal para llegar a otro componente..
Resistencias
Las resistencias axiales de precisión (Metal film) no solo son mas precisas en su valor nominal, además otros
efectos como la inductancia parásita es menor. De la misma forma, las resistencias de montaje superficial
tienen un comportamiento con menos parásitos.
Otras recomendaciones prácticas.
Cuando se tenga un circuito integrado con varias terminales de alimentación y tierra, siempre se deben
conectar todos.
En circuitos con grandes corrientes que contengan un interruptor, se cortará el PCB entre terminales, para
evitar que los depósitos de carbón producidos por los arcos en las conmutaciones se acumulen y formen una
delgada pista conductora sobre el PCB
Es buena práctica asegurarse de conseguir un componente en cantidad suficiente, precio adecuado y a tiempo
antes de basar el diseño en él.
NUNCA conectar una tarjeta experimental a una PC y menos a la que estamos usando para diseñar. Existen
sistemas que nos permiten aislar un poco los errores en caso de falla de la tarjeta pero suelen ser muy caros.
Cuando se pruebe un prototipo, es buena idea usar zócalos para todos los componentes que se puedan. La
mayoría de los componentes actuales son SMT, se tendrá entonces que desarrollar mas habilidades para
desoldar un componente dañado y soldar uno nuevo sin dañar el PCB ni el componente.
No es bueno confiar en los Datasheets que dicen “Preliminar”. Es muy buena práctica revisar el datasheet
cuando salga el componente a mercado para revisar posibles cambios. Otro detalle es que el componente que
prometen para el primer cuarto del año suele salir a mediados del segundo cuarto y además con “bugs”.
Midiendo la señal que llega a un dispositivo, observamos que tiene oscilaciones en su valor, en lugar de ser
estable. Como una primera acción, decidimos poner un pequeño capacitor en la entrada del dispositivo para
filtrar un poco la señal y así “limpiarla” del ruido observado. Esta acción demandará mas corriente del
dispositivo de salida para hacer la transición de voltaje, empeorando la situación.
Diseño de PCB’s
Primeramente definiremos algunos elementos básicos en el diseño del PCB.
Para D.C. el ancho de una pista estará definida por la corriente que pasa a través de ella. A continuación se
ilustra una tabla que nos puede servir para calcular el ancho mínimo de una pista.
Zonas
Para el acomodo de los diferentes componentes, es buena idea definir zonas para aislar los diferentes ruidos
que se presentan en un sistema. Agrupando los circuitos digitales en una zona y los analógicos en otra,
podemos evitar que los componentes analógicos estén siendo alimentados con los ruidos de alta frecuencia en
la alimentación que son tan comunes en los sistemas digitales.
Cuando tenemos diferentes funciones en una tarjeta que posee un solo conector (como sería el ejemplo de
una tarjeta para computadora) los circuitos de mayor velocidad ( y mas ruidosos) serán los que se colocarán
mas cerca del conector y los menos ruidosos los mas alejados.
PCB’s de alta velocidad.
Existen muchas definiciones de cuando es un PCB de alta velocidad. Una de ellas es:
Cuando el flanco de cambio en un circuito digital es tan rápido que puede cambiar en menos tiempo que el
necesario para que la señal viaje a través del largo del conductor.
Para usar esta regla, necesitamos saber el tiempo que tomará a la señal viajar por el conductor. Otro detalle es
que no estamos tomando en cuenta la frecuencia del reloj, pero si el tiempo de los flancos. Como ejemplo, si
tenemos un cambio de flanco en 1 nS, sería como manejar una frecuencia de 1/ pi *1E-9. = 318.309 MHz.
Entonces, no podemos confiarnos a ignorar las reglas de los sistemas de alta velocidad solo porque la
frecuencia de nuestro reloj es de menos de 10 MHz.
Por otro lado, tenemos que saber que tan rápido viaja la señal por el conductor, en este caso, las pistas de un
PCB. La respuesta parece evidente: La velocidad de la luz (29,870 cm/S). Pero vamos tomando en cuenta
que esta velocidad solo es cierta en el vacío. El material que rodea al conductor determina la velocidad en
que viaja la electricidad en este conductor, esto es llamado la permitividad relativa del dieléctrico.
La velocidad sería entonces
v= c
εr
Donde v sería la velocidad de la electricidad en el conductor, c la velocidad de la luz en el vacío y Er sería la
permitividad. Entonces una permitividad Er =4 (como la de un circuito impreso FR4) nos daría que la
electricidad viajaría a la mitad de la velocidad de la luz.
A continuación presentamos alguno ejemplos de permitividades (Denotadas como “r”) para diferentes
materiales.
MATERIAL
Air
PTFE/fibreglass (Teflon®)
Silicone dioxide (MCM-D)
Polyimide/fibreglass (MCM-L, MCM-D)
FR4
Aluminia oxide (ceramic MCM/hybrid)
r
Velocity [inch/ns]
1
2.2
3.9
4.1
4.1
9
11.76
7.95
5.97
5,82
5.82
3.9
Propagation delay [ns/inch]
0.0849
0.1258
0.167
0.172
0.172
0.256
Entonces, ¿Cuándo se puede decir que tenemos un PCB de alta velocidad?
La definición que personalmente me agrada mas es: Cuando el circuito diseñado presenta problemas de
funcionamiento.
Esta respuesta evidentemente no abarca problemas de diseño previos, lo que intenta explicar es que muchas
veces los diseños no aparentan ser de alta frecuencia pero si deben de ser tratados al menos en parte como tal.
Una forma de “diagnosticar” este problema podría ser cuando se presentan los siguientes “síntomas”:
•
Algunos sistemas trabajan y otros no.
•
Las tarjetas trabajan en la mesa de pruebas pero no así en el chasis.
•
Los cambios de temperatura o en la fuente de alimentación causan o arreglan el problema.
•
Cambiando una parte que funciona por otra que también funciona arregla o presenta el problema.
Integridad de la señal.
Cuando un pulso es transmitido a través de una pista, algo del pulso será reflejada de regreso al emisor. Si el
conductor es muy corto, la señal estará subiendo cuando el pulso reflejado regrese y la reflexión será parte
del flanco de subida. Si el conductor es muy largo, el flanco habrá terminado cuando llegue la reflexión y
entonces aparecerá como un sobrepulso (positivo o negativo).
Todos estos efectos son debido a que no podemos tener siempre el largo de las pistas adecuado a la
frecuencia de operación. En casos como la señal CLK de un sistema PCI, tenemos la frecuencia
perfectamente establecida luego podemos definir un largo crítico de pista, pero no es así en la mayoría de las
señales de interconexión.
Señal original
Pista corta
Pista larga
Para mantener el sobre pulso (positivo o negativo) en un límite aproximado al 10%, es necesario establecer
una longitud en la pista crítica, que es aproximadamente la mitad del tiempo de duración del flanco. Esto
significa que la electricidad viajará dos veces la longitud de la pista ( ida y regreso) en el tiempo en que
termina el flanco. Entonces la longitud crítica será determinada por el tiempo del flanco, o sea por la familia
lógica.
Para calcular el largo crítico de la pista tenemos que :
l = tr
2tpd
Donde l será el largo de la pista, tr será el tiempo de duración del flanco, y 2 tpd será el tiempo de propagación
de la señal eléctrica en el material.
Cuando no se pueda cumplir con estos requerimientos (que será muy frecuentemente) tendremos un
problema que será tratado como de alta frecuencia.
Veamos algunos datos del tiempo de duración de flancos para diferentes familias lógicas:
Familia lógica
S
10KECL
AS
F
BICMOS
100KECL
tr [ns] Longitud máxima permitida [Cm] r = 4.2
5
36.83
2.5
18.28
1.9
13.75
1.2
8.9
0.7
4
0.5
3.55
Cuando excedemos de estas dimensiones, entonces tenemos problemas de alta velocidad, vemos que
entonces es mas común de lo que podríamos esperar.
Cross talk.
Otro punto importante que debemos de cuidar en el diseño de un PCB son los ruidos inducidos por otras
líneas que pasan cerca de nuestro conductor de interés. Este efecto es llamado el cross talk.
El cross talk se genera debido a que cuando tenemos dos conductores que corren paralelos, construyen entre
ellos un capacitor (capacitancia mutua), además que los conductores en sí forman unas inductancias
(inductancia mutua).
1
3
2
4
Si tenemos un circuito de dos líneas de conducción paralelas, donde la corriente I1 fluye de un punto 1 al
punto 2 y tenemos la otra línea conectando el punto 3 al punto 4, observaremos que mientras mas largas sean
las pistas conductoras mayor será la capacitancia mutua, así mismo mientras mayor sea la corriente I1, mayor
el voltaje inducido en la pista 3-4. Como éste voltaje viaja a ambos extremos del conductor, la corriente que
viaja hacia el punto 3 es llamado “backwards cross talk” y la corriente que viaja hacia el punto 4 es llamado
“forward cross talk”.
Como una nota, notemos que este fenómeno es debido a un acoplamiento capacitivo, por lo que mientras mas
rápidamente se den las transiciones de voltaje, mayor serán su frecuencia y por lo tanto mayor el ruido
observado. Otro punto importante a observar es que no es fácil “blindar” un conductor, por lo que la mejor
forma de evitar éste fenómeno es el de separar las pistas físicamente.
La forma de calcular el “forward cross talk” en unidades de Volt (Vfct ), es definida tomando en cuenta la
capacitancia entre los conductores, la impedancia del conductor, la longitud en que corren paralelos los
conductores (l) y el tiempo de transición (tr ).
Vfct = - ½(
Lm
CmZo) * (Vd l )
tr
Zo
Para poder calcular los valores de capacitancia mutua, inductancia mutua y la impedancia de los conductores
no queda mas remedio que usar paquetes de edición que tengan la capacidad de hacer los cálculos, ya que
hacerlos pista por pista sería prácticamente incosteable.
Un efecto interesante es que el “backward cross talk” es incrementado en forma lineal con la longitud en que
permanece acoplado al conductor agresor, pero esto solo hasta que llega hasta la longitud crítica, en esa
longitud y en adelante el cross talk se “saturará” y no crecerá mas.
La forma práctica de evitar éstos ruidos son:
•
Usando pistas de baja impedancia y poner terminaciones apropiadas.
•
Distribuir bien las pistas por el PCB
•
Usar pistas lo mas cortas posibles
•
Usar el plano de tierra lo mas cercano al plano de pistas como sea posible.
Tiempos de propagación.
Como ya hemos definido, las señales viajan por las pistas de un PCB posiblemente a la mitad de lo que
creíamos que lo harían (FR4). Cuando tenemos un bus de datos y alguna de las pistas tiene que ser mas larga
que las demás para librar un obstáculo en su trazo, ésta señal podrá llegar algún tiempo después que las
demás. Es importante fijarnos la frecuencia en que se está trabajando y revisar que tanto nos puede afectar
éste retraso en la señal.
Revisando las especificaciones de componentes como por ejemplo un CPLD, nos damos cuenta que muchos
fabricantes utilizan algunos pines especialmente para reloj del dispositivo. Estos tienen un ruteo especial
interno que permite bajar al mínimo los retrasos en el ruteo interno.
Programa de edición: Protel
El programa PROTEL es un buen ejemplo de programa de edición con herramientas de diseño que nos
permiten verificar la integridad de las señales digitales, hacer cálculos de crosstalk (no disponible en la
versión demo) y muchas otras funciones que nos facilitan el diseño de un PCB de alta velocidad.
Hacer una descripción del manejo del programa sería poco útil teniendo el manual del programa en sí. En
este documento solo se cita como ejemplo y se anexa una copia del tutorial para quien esté interesado en mas
detalles de su funcionamiento.
Conclusiones.
El diseño de PCB’s de alta velocidad involucra una serie de conocimientos que van mas allá del PCB en sí,
como lo son el análisis del comportamiento del sistema para el que se está diseñando.
El apoyo de una herramienta como lo sería PROTEL es indispensable hoy en día. No es posible imaginar
hacer los cálculos pista por pista de otra forma.
Es terrible no poder analizar el realismo de la simulación de Crosstalk en la versión demo de PROTEL
Bibliografía:
Joseph Balcells, Francesc Daura, Rafael Esparza y Ramón Payas. Interferencias electromagnéticas en
sistemas electrónicos. Alfaomega Marcombo.1992 ISBN 968-6223-87-8
K. C. Gupta. Microstrip line and slotlines Artech house 1996 ISBN: 089006766X
T. Edwards Foundations of interconnect and microstrip design. Wiley 2000 ISBN: 0471607010
PROTEL Tutorial.