¿Por qué el diseño de circuitos impresos en prototipos electrónicos es tan importante?
El desarrollo de productos electrónicos es uno de los pilares en los que se sustenta la Industria 4.0 y la transformación digital, y buena parte del éxito de este ingenioso proceso depende del diseño circuitos impresos o PCB design. En este contexto, exploramos cinco de las mejores prácticas o tips para el diseño de circuitos impresos en prototipado electrónico.
Tal como la analogía que presenta VSE:
“El diseño de circuitos impresos es el caballo de batalla silencioso que hace posible la vida moderna, si lo duda mire alrededor de su oficina o habitación, encontrará al menos una docena de placas de circuito impreso (PCB) escondidas en sus dispositivos y aparatos electrónicos”.
Es este paso esencial del prototipado o desarrollo de productos electrónicos el que ha dado pie a grandes cambios en los procesos tradicionales de distintas industrias. Automatizando gran parte de estos procesos, e impulsando la transformación digital de las empresas, y la creación de áreas I+D (Investigación y Desarrollo).
Esta creciente demanda de innovación y evolución tecnológica, con dispositivos electrónicos cada vez más pequeños e interconectados, ha resaltado la importancia del ciclo de desarrollo de los productos electrónicos.
Queda claro, tal como reseña Advanced Circuits, que la PCB es la base de todo producto electrónico, y así como puede ser simplemente una tarjeta para el montaje de módulos en la etapa de prototipado, también puede ser parte de una etapa más avanzada en la que, se requiera una tarjeta personalizada para integrar todos los componentes y módulos diseñados con anterioridad.
Del diseño de esta tarjeta depende la fiabilidad y el correcto funcionamiento del producto electrónico. Por este motivo, es importante el seguimiento de los criterios y normas técnicas existentes, así como considerar otros elementos adicionales que garanticen un buen diseño, aceleren el proceso y mitiguen los riesgos.
Con este preámbulo, se presentan a continuación cinco tips para el diseño de circuitos impresos, que pueden ser de gran utilidad para evitar los riesgos de fallas futuras.
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Tips para el diseño de circuitos impresos
El diseño de circuitos impresos no solo se trata de ubicar rápidamente los componentes, trazar algunas pistas y enviar a fabricar.
Como se mencionó al inicio, existen un conjunto de estándares que deben seguirse para asegurar la integridad de las señales y el adecuado funcionamiento de la tarjeta y del dispositivo. Sin embargo, también es importante considerar dentro del proceso las siguientes recomendaciones.
Tip número 1: Seguir las recomendaciones técnicas de las hojas de datos de los componentes
Los fabricantes de componentes electrónicos proporcionan información relevante para el óptimo diseño de circuitos impresos.
Estas hojas de datos o documentos técnicos son herramientas que todo diseñador de hardware debe conocer a la perfección. Ya que dan una visión del uso, dimensiones y requerimientos, para el correcto funcionamiento del componente.
Además, una lectura adecuada de las especificaciones permitirá identificar si el componente es o no el adecuado para el diseño y prototipado electrónico que se está realizando.
Las hojas de datos suelen presentar recomendaciones acerca de componentes adicionales, ubicación y ruteo adecuados para las pistas de PCB.
En la Figura 1 se presenta un ejemplo de ruteo recomendado para el circuito integrado MCP1252 de Microchip, el cual, es un chip orientado al diseño de fuentes conmutadas DC-DC de tipo “charge pump”, muy convenientes debido a que no requieren inductores.
Figura 1. Ejemplo de una recomendación de ruteo para el circuito integrado MCP1252. Fuente Microchip.com.
Como se puede apreciar, el fabricante presenta recomendaciones muy claras de la ubicación y ruteo de los componentes que acompañan el circuito integrado; teniendo en cuenta incluso las dimensiones de los componentes.
Pautas que reducen el tiempo de desarrollo porque indica al diseñador cómo trazar la distribución (layout) de un bloque completo de componentes.
Tip número 2: El uso de modelos 3D para componentes electrónicos y mecánicos
Considerando que, el diseño de circuitos impresos (PCB) consiste en la definición de la ubicación y el enrutamiento de los componentes electrónicos, los cuales están basados en un diseño esquemático, y en una serie de restricciones y condiciones establecidas para el producto electrónico; es normal que existan algunas relacionadas con:
- El tamaño de la tarjeta
- Su forma
- La altura
- La ubicación de algunos componentes sobre la tarjeta
- La separación y enrutamiento entre estos
Una manera de asegurar que se cumplan con los requerimientos establecidos es el uso de Modelos 3D.
Estos permiten visualizar cómo se integran los componentes a la PCB y validar su ubicación y enrutamiento, antes de fabricar.
Muchas de las herramientas de software para diseño de PCB, incluso las gratuitas, cuentan con funcionalidades de visualización 3D de la tarjeta.
Según Proto Electronics para lograr dicha visualización 3D, es necesario que a la huella del componente se le adjunte su modelo 3D correspondiente. Para lo cual, existen sitios reconocidos como Component Search Engine, Digi-Key y SnapEDA.
Estos sitios cuentan con un catálogo abierto y variado de modelos 3D de componentes, los cuales, pueden integrarse prácticamente a cualquier software de diseño de PCB que incorpore esta funcionalidad.
En la Figura 2 se muestra el visor 3D de un software gratuito para diseño de PCB llamado KiCad. Este al igual que muchos otros visores 3D, permite rotar, acercar, alejar, e incluso agregar y quitar componentes de la vista.
A través de estas herramientas el diseñador puede tener una idea más clara de lo que verá una vez esté fabricada y ensamblada la tarjeta. Y así, corregir a tiempo posibles errores de ubicación, orientación, tamaño de componentes, entre otros aspectos relevantes para su diseño.
Cabe mencionar que, en caso de no encontrar el modelo del componente en Internet, siempre está la posibilidad de crear uno propio a través de herramientas CAD de diseño mecánico.
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Tip número 3: Imprimir el diseño en papel
En ocasiones, las soluciones a problemas complejos pueden venir de las ideas más simples.
Este es el caso del uso de una impresora convencional, para imprimir el diseño de PCB en una hoja de papel y ubicar algunos componentes sobre ésta. De tal manera que el diseñador resuelva dudas que persistan incluso luego de la verificación en el visor 3D.
En la Figura 3 hay un ejemplo de esta buena práctica para el diseño de circuitos impresos.
Se puede ver una impresión en papel, con la ubicación de dos conectores y un módulo. Algo tan simple le da un acercamiento más real al equipo de desarrollo, sobre el aspecto final que tendrá el prototipo.
Figura 3. Componentes ubicados sobre una hoja de papel con un diseño de PCB impreso. Fuente. Elaboración propia.- Cidei.
En este caso, hay dos posibles riesgos encerrados en los círculos rojos.
- El de la izquierda, corresponde a que el módulo se encuentra muy pegado al conector, lo cual puede dificultar el ensamble y el cableado.
- El de la derecha, muestra que el conector podría dejar poco espacio para la cabeza del tornillo que va en el agujero de sujeción.
Imprimir en papel, además, ayuda a seleccionar o ajustar el diseño del encerramiento o carcasa del dispositivo. También, permite validar de una manera más clara si la forma y dimensiones de la tarjeta son las adecuadas. Esto, no solo ahorra tiempo sino también dinero y posibles retrasos en el cronograma de entrega.
Tip número 4: Uso correcto del Screen de la tarjeta
Entre los elementos que componen el diseño de circuitos impresos, hay uno al cual no siempre se le da la importancia que merece, y es la serigrafía, también conocida como Screen o Silkscreen según PCBWay.es.
El Screen es la capa que contiene textos impresos sobre la tarjeta, cuyo principal uso es la identificación del designador de cada componente. Esto con el fin de facilitar las labores de ensamble, cableado, prueba y uso del prototipo.
En la Figura 4 se presenta un caso que cumple con recomendaciones como:
- Agregar identificadores a los pines de conexión de una regleta o bornera, de tal modo que se sepa qué función cumple cada pin.
- Identificar cuál es el pin #1 en componentes de muchos pines (conectores y circuitos integrados principalmente).
- Asegurar que sea claro cuál es el orden de los pines de componentes polarizados, entre otros aspectos técnicos.
También se puede incorporar un número de serie o nombre, que permita llevar la trazabilidad de las versiones desarrolladas de la tarjeta. Incluso se recomienda incorporar el nombre o logotipo de la empresa o marcas de copyright.
Figura 4. Ejemplo de algunas prácticas recomendadas de Screen en el diseño de PCB. Fuente. Elaboración propia. Cidei.
Finalmente, es importante prestar atención a las dimensiones de la fuente, su grosor y orientación.
No es cómodo tener que rotar la tarjeta hacia todas las direcciones o tener que usar una lupa o un microscopio para poder leer cada texto o designador importante, durante el proceso de ensamble y pruebas.
Tip número 5: Mantener actualizadas las herramientas
Como último tip para el diseño de circuitos impresos, pero no menos importante, hay que recordar que las herramientas de software para diseño de PCB no son estáticas.
Los desarrolladores de estas mantienen calendarios de actualizaciones para ir lanzando mejoras incrementales.
El objetivo de esto es incluir nuevas funcionalidades o mejorar las existentes, para facilitar la tarea a los diseñadores de PCB y desarrolladores de productos electrónicos.
Entre las funcionalidades que más valor agregan al trabajo de diseño, y que más constantemente se actualizan, se pueden mencionar:
- Las relacionadas con los desplazamientos o ediciones de bloques de componentes en el ruteo y en el esquemático
- La importación de bibliotecas de componentes
- La generación de archivos de fabricación
- Configuración de reglas de diseño
- Gestión de los archivos que conforman el proyecto de PCB
- Mejoras en el renderizado de la visualización 3D, entre otras
Si el software no cuenta con actualizaciones automáticas, se recomienda que el diseñador tenga en su calendario una tarea periódica para la búsqueda de actualizaciones. Así, se garantiza disponer de las mejoras que probablemente le ahorren tiempo y dinero en su siguiente diseño.
Tips para el diseño de circuitos impresos - Conclusión
El proceso de diseño de PCB es parte importante en el ciclo de prototipado de dispositivos electrónicos. Un buen diseño de circuitos impresos no solo requiere de un buen diseñador, sino también de buenas herramientas y las mejores prácticas que aporten valor a las tareas; disminuyendo los tiempos de diseño y mitigando los riesgos futuros.
La implementación de los cinco tips para el diseño de circuitos impresos vistos en esta entrega, contribuyen a generar prototipos menos propensos a fallos o retrasos por errores.
De igual manera, es importante recordar que existen normas, documentos técnicos y criterios establecidos para el diseño de PCB, que unidas a estos consejos, asegurarán un diseño eficiente del circuito impreso.
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