Diseño de circuitos impresos – Herramientas y flujo de trabajo

Funciones y características esenciales de las herramientas para el diseño de circuitos impresos

pcb design

En la actualidad, el diseño de circuitos impresos es una de las principales actividades industriales que se llevan a cabo en los países más avanzados. Desde un punto de vista competitivo, el elemento diferenciador es la herramienta que se emplea para desarrollar esta actividad. Con el auge de los objetos inteligentes (smart), cada vez más bienes de consumo contienen componentes electrónicos. Uno de los sectores en los que se está invirtiendo más en electrónica es el automóvil; pero también el biomédico, donde se llega a integrar la tecnología con el cuerpo humano.

En este contexto, la Electronic Design Automation (EDA) -o diseño electrónico asistido- adquiere un papel fundamental.

Sintetizamos las fases principales del -cada vez más complejo- proceso de diseño de circuitos impresos, haciendo mención a las herramientas necesarias en cada una de ellas.

Herramientas para el diseño de circuitos impresos

Las herramientas destinadas al diseño de circuitos impresos deben cubrir las siguientes necesidades: creación y simulación del esquemático, creación del layout, análisis, preparación para la fabricación. Desde Cadlog proponemos dos instrumentos: Xpedition, para las grandes empresas y las multinacionales, y PADS Professional, para diseñadores autónomos o para las PYMES.

Otras herramientas que compiten en el mercado son:

pads
Productor:
Mentor (Siemens PLC)
Productor:
Altium Ltd.
Productor:
Autodesk, Inc.
Productor:
Cadence Design Systems, Inc.
KiCadDesignSpark PCB
Productor:
Open source
Productor:
RS Components
Productor:
Cadence Design Systems, Inc.
Productor:
Zuken Inc.
Nosotros apostamos por PADS Professional, un instrumento completo y basado en la tecnología Xpedition, que lo dota de una potencia propia de las herramientas de gama superior.

Proceso de diseño de circuitos impresos

Las fases principales que conforman el proceso de diseño de circuitos impresos son las siguientes:

1 – Diseño del esquemático

Captura y reutilización del esquemático

La primera fase es aquella en la cual el concepto o idea toma forma a través del diseño de un esquema eléctrico del que será el producto final, es decir, una representación simplificada del circuito impreso.

schema elettrico

Ejemplo de esquema eléctrico.

Una buena herramienta debe ser intuitiva e incluir todas las funciones necesarias -para el diseño, la selección de los componentes, la gestión de las librerías, la simulación, el análisis- en un mismo ambiente de diseño.

Búsqueda de los componentes

Selección de los componentes adecuados e inserción de los mismos en la herramienta de diseño, acompañados de la información necesaria.

Intención u objetivos del diseño

Definición de las reglas que será necesario seguir en el caso de realizar modificaciones en el diseño.

Selección de los componentes

Selección de los componentes más adecuados para el proyecto a través de una búsqueda paramétrica en la base de datos, posible gracias a un sistema integrado de gestión de componentes.

Definición de pin-outs complejos

Gestión de las interconexiones de forma tabular en circuitos con componentes FPGA.

Imágenes de ejemplo extraídas de PADS Professional.

2 – Diseño del layout

Realización del ruteo o trazado de las pistas del circuito impreso

Durante esta fase se define el diseño del circuito impreso con mayor precisión. La complejidad de este varía, ya que el circuito puede estar compuesto por una, dos o más capas.
PCB de una capa
PCB de dos capas
PCB multicapa
En este último caso, el más complejo, el diseñador debe contar con la posibilidad de realizar algunas de las operaciones de desarrollo del circuito de manera automatizada, pero manteniendo siempre el control de las mismas.

Integración 2D/3D

Integración de la vista en 3D con el ambiente de diseño, lo cual permite utilizar las mismas herramientas para la colocación de los componentes que en el caso de la vista en 2D.

Planificación y gestión de la colocación de los componentes

Visualización e implementación rápidas de los objetivos del diseño para una colocación de los componentes óptima.

Automatización del ruteo

La función Sketch Routing ofrece la posibilidad de trazar las pistas del circuito impreso de manera automatizada. Se trata de una herramienta intuitiva y fácil de usar.

Metodología correct-by-construction

Este enfoque metodológico permite localizar las violaciones de las reglas establecidas durante el desarrollo del diseño, en vez de al final, lo cual aumenta la eficiencia del mismo.

Colaboración ECAD-MCAD

Conviene establecer un flujo entre los diseñadores electrónicos y mecánicos que de lugar a una comunicación eficaz.

Imágenes de ejemplo extraídas de PADS Professional.

3 – Análisis del circuito impreso

Los prototipos virtuales permiten analizar los PCBs con un coste y en un tiempo reducidos

El análisis y la simulación de los circuitos impresos son dos operaciones imprescindibles para la verificación del producto. La creación de un prototipo virtual del circuito posibilita llevar a cabo estos análisis en cualquiera de las fases del proceso de desarrollo del PCB. Al poder corregir el diseño y verificar los puntos críticos en cualquier momento se reducen los costes y los tiempos, a la vez que se fomenta la innovación.

El análisis de la integridad de señal es uno de los más importantes a los que se ha de someter el circuito impreso.

En la imagen a continuación se puede observar cómo representar el flujo de valores binarios de un aparato electrónico digital en forma de onda de tensión o voltaje. A medida que aumentan la distancia y la frecuencia de los bits, la señal se degrada al sufrir los efectos del ruido, la distorsión y la pérdida, todos ellos fenómenos que pueden impedir el correcto funcionamiento de un dispositivo.

Simulación de la señal de una DDR3.

La simulazione della forma d’onda del segnale di una DDR3

El objetivo del análisis de la integridad de señal consiste en analizar estos fenómenos y mitigar su efecto, en todas y cada una de las fases de desarrollo del producto electrónico.

Simulación analógica

Una herramienta dedicada al análisis de circuitos impresos debe permitir ciertas operaciones, como la medición entre puntos de transición, la búsqueda iterativa de eventos, la edición de la forma de onda o la creación de gráficos y diagramas.

Análisis de la integridad de señal

Este análisis debe integrarse en el proceso de desarrollo del circuito impreso e implementarse en las diferentes fases del mismo. De esta manera, se obtienen resultados precisos y coherentes con los objetivos.

Análisis térmico

Este análisis se implementa para simular el impacto de la colocación de los componentes y del trazado de las pistas sobre el diseño del circuito y para localizar posibles puntos críticos, así como para comparar diferentes alternativas.

Análisis de la integridad de potencia

Con el análisis de la alimentación es posible simular el comportamiento de la Power Distribution Network (PDN), analizar las caídas de tensión e identificar las áreas con una densidad de corriente excesiva, a lo largo del proceso de diseño. También en este caso se pueden comparar diferentes alternativas.

Design Rule Checking (DRC)

A través del control de las reglas del diseño, es posible verificar si estas han sido respetadas, de modo que no se produzcan problemas relativos a interferencias electromagnéticas (EMI), compatibilidad electromagnética (EMC), integridad de señal e integridad de potencia. Este análisis se puede implementar tanto para realizar un reconocimiento rápido de la red, como para localizar anomalías como cruces entre las pistas.

Imágenes de ejemplo extraídas de PADS Professional.

4 – Preparación para la fabricación

Clave para la transición del diseño a la fabricación y el ensamblaje

El concepto “manufacturalidad” hace referencia a la capacidad de un diseño para ser fabricado. Para garantizarla, es necesario contar con una herramienta para el diseño de circuitos impresos que incluya funciones específicas para la preparación para la fabricación.

El diseñador de los circuitos debe crear la documentación que será necesaria durante las fases de la producción, tanto en términos de circuitos individuales como de paneles, de manera que las máquinas pick-and-place de la fábrica puedan trabajar correctamente sobre ellos.

La documentación debe reflejar, de manera automática, cada una de las modificaciones que se realizan en el layout del circuito. Para ello, el software para el diseño de los PCBs debe favorecer la integración entre los diferentes instrumentos que intervienen en las operaciones.

La herramienta para el diseño de circuitos impresos debe integrar otras dedicadas a la gestión del Design for Manufacturing, operación consistente en analizar si todos los detalles del diseño respetan los requisitos necesarios para poder fabricar el PCB. En este caso, PADS Professional se integra con Valor NPI.

bilanciamento del rame nel PCB layout

El diseño debe estar equilibrado desde el punto de vista del cobre, tanto en términos de diseño del PCB como de diseño del panel.

Imágenes de ejemplo extraídas de PADS Professional.

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