IPC 2251 Diseño de PCB Alta Velocidad
En este articulo estaremos explicando acerca de la norma IPC 2251 Design guide for High Speed Electronic Circuits para diseño de PCB de alta velocidad.
1. ¿Qué es la Norma IPC 2251 para diseño de PCB de alta velocidad o High Speed?
La norma IPC 2251 contiene los lineamientos para el diseño de PCB de alta frecuencia, para diseñadores, manufactureros, ingenieros de diseño de IC, adquisiciones, porque es importante, no solo para diseñadores, sino para los fabricantes, diseñadores de packaging, personal de compras, para manejar un lenguaje común, comunicarse, entender la complejidad e implicaciones de un diseño para su manufactura, acorde con los requerimientos del cliente en cuanto a alta velocidad (alta frecuencia), restricciones y especificaciones de manufactura.
Las consideraciones de la norma IPC 2251 incluyen ruido eléctrico (Noise margin), EMI (interferencia electromagnetica), propagación de señales (en el medio de la fibra de vidrio), protección ante eventos ambientales de temperatura, mecánicos y corrosión.
2. Contenido de la Norma
- Generalidades.
- Documentos aplicables.
- Consideraciones de diseño.
- Consideraciones mecánicas.
- Consideraciones eléctricas.
- Pruebas de rendimiento.
- Características del dispositivo.
- Disposiciones de PCB.
- Bibliografía.
3. ¿Cómo usarla?
Descubrimos aquí los contenidos de la norma y como usarlos:
CAPITULO 1 y 2: GENERALIDAES, TERMINOS Y DEFINICIONES.
La importancia de conocer todos los aspectos de ruido, EMI, propagación, temperatura y mecánicos, para realizar una correcta implementación física de un PCB de alta velocidad.
Otras normas IPC que podemos usar para el diseño de alta velocidad como la IPC 2221, IPC 2222, IPC 2231, IPC 2141, IPC-4103 de especificaciones de materiales base para alta velocidad/frecuencia.
Familias lógicas, TTL, LS, CMOS, BIMOS, LVDS, GTL, ABS, AGP, ACT, términos como Bulk Decoupling Capacitor (condensadores en la fuente de poder SMPS, High-Frequency Decoupling Capacitor (en la parte de los IC).
Conceptos como Backward Crosstalk: CT, diafonía o ruido inducido en una línea victima por una línea agresora cercana, que ve al final de la línea tranquila, en la parte cerca a la fuente de la señal. Es la forma inductiva de CT. Near-end crosstalk (NEXT). Si se mide en el transmisor Ltx.
Overshoot: La cantidad que un pulso excede su amplitud nominal después de su transición. Es una degradación de la señal en porcentaje. Puede ser causado por reflexiones debido a discontinuidades de impedancia en una línea de transmisión. ZLow a Zhigh.
CAPITULO 3: CONSIDERACIONES DE DISEÑO
Este capítulo nos enseña como evaluar desde la planeación las diferentes opciones de diseño, las tecnologías de componentes e IC, también las restricciones de SI-Signal Integrity Design o integridad de señal que el sistema o tarjeta puedan tener y que puedan afectar el margen de ruido o (noise margins), lo que puede causar operación incorrecta, problemas de integridad de potencia PI o power integrity, cargas mal acopladas, y problemas de EMI (inteferencia electromagnética). Entre estas causan pueden estar: overshoot (sobrepicos), undershoot (picos en el ciclo bajo), nonmonotonic edges (flancos no monotónicos), crosstalk (diafonía o distorsión), skew (desalineación), ground bounce (rebote de tierra).
También es importante conocer un proceso o flujo de tareas apropiado al diseño de PCB de alta velocidad, en que se tiene en cuenta el esquemático, las especificaciones del producto final, las restricciones mecánicas, y las características eléctricas de los componentes, para evaluar el margen de ruido esperado, de acuerdo a este se evalúan los tipos de conexiones y tecnologías de componentes, los efectos mecánicos y los efectos de líneas de transmisión, evaluando los efectos parásitos, retardos, distorsión, reflexiones, para que si estos no cumplen con el margen de ruido esperado, tenemos que volver a evaluarlos, y si cumplen, procedemos con el diseño del sistema.
CAPTULO 4: CONSIDERACIONES MECÁNICAS
También es importante conocer un proceso o flujo de tareas apropiado al diseño de PCB de alta velocidad, en que se tiene en cuenta el esquemático, las especificaciones del producto final, las restricciones mecánicas, y las características eléctricas de los componentes, para evaluar el margen de ruido esperado, de acuerdo a este se evalúan los tipos de conexiones y tecnologías de componentes, los efectos mecánicos y los efectos de líneas de transmisión, evaluando los efectos parásitos, retardos, distorsión, reflexiones, para que si estos no cumplen con el margen de ruido esperado, tenemos que volver a evaluarlos, y si cumplen, procedemos con el diseño del sistema.
CAPITULO 5: CONSIDERACIONES ELÉCTRICAS
Entre las consideraciones eléctricas están las que afectan 
la integridad de señal, como el retardo, la longitud máxima, las perdidas dieléctricas, el ancho de banda, la dependencia en frecuencia, las reflexiones, distorsión, los asuntos de impedancia, las líneas de transmision, 
las terminaciones, la degradación del rise time y atenuación, todo esto que afecta el EMI.
También está la integridad de potencia, entre las que se consideran la distribución de potencia, el comportamiento DC del sistema, la impedancia los planos de potencia, la impedancia AC, la red de distribución de potencia y los consumos de potencia, el modelo de desacople, el contenido de conmutación en la frecuencia, la carga de los dispositivos, también los modelos PSPICE e IBIS.
CAPITULO 6: PRUEBAS DE RENDIMIENTO
Para probar el diseño se hacen pruebas usando el TDR o time domain reflectometer, también otros dispositivos, entre ellos los cupones de test de impedancia o Impedance Test Coupon.
ANEXOS: Los anexos incluyen características técnicas de los dispositivos que no son fáciles de encontrar en la web, disposiciones recomendadas de stackup de PCB o pila de capas y bibliografía recomendada.
4. CONCLUSIONES
La norma nos ayuda a diseñar para la integridad de señal (Signal Integrity-SI) e integridad de potencia (Power Integrity-PI) determinando la velocidad (retardo) critico, el retardo de propagacion, acople o Crosstalk Coupling, el ruido de conmutación switching Noise y determinar el Noise Budget/Noise Margin o margen de ruido. En aspectos de integridad de potencia o power integrity, determinando la tolerancia de la fuente de poder, las perdidas DC del sistema, los condensadores de desacople y bulk, asi como la red de desacople de potencia. Nos ayuda a clarificar conceptos, modelar el sistema y diseñar para un bajo EMI en los PCB.
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Bibliografía:
IPC-2251. Design guide for the packaging of high speed electronic circuits. Northbrook, IL, USA. Association Connecting Electronics Industries ipc.org. 2003.
IPC-2141A Design guide for high-speed controlled impedance circuit boards. Northbrook, IL.USA. Association Connecting Electronics Industries ipc.org. 2003
IPC CID+ Advanced PCB Study Guide. 2016. Northbrook, IL, USA. Association Connecting Electronics Industries ipc.org. 2003.
Imagen AM570x BGA Escape Routing users guide. TI. 2019.
Imagen www.researchgate.net
Eric Bogatin, Power integrity and relations. Bethesignal.com signalintegrityacademy.com
