A medida que el Internet de las cosas (IoT) sigue revolucionando sectores como el consumo, la sanidad y la agricultura, el diseño de placas de circuito impreso (PCB) para dispositivos IoT se ha convertido en una tarea crítica. Con frecuencia, estos dispositivos requieren PCB compactos, de bajo consumo y alto rendimiento para cumplir sus funciones especializadas y satisfacer las exigencias medioambientales.
No obstante, alcanzar estos objetivos representa todo un desafío debido a restricciones como el espacio limitado, los estrictos requisitos energéticos, las necesidades de comunicación inalámbrica y las rigurosas normas de durabilidad. Este artículo examina los desafíos que plantea el diseño de PCB para dispositivos IoT y propone soluciones eficaces.
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Desafíos en el diseño de PCB para IoT
A continuación, se presenta una lista de los principales retos con los que se encuentran los ingenieros a la hora de diseñar PCB para aplicaciones IoT.
1. Miniaturización y limitaciones de espacio
Los dispositivos IoT normalmente son compactos y sus dimensiones a menudo están dictadas por el factor de forma de los dispositivos portátiles («wearables»), sensores inteligentes u otros sistemas integrados. Esta miniaturización (figura 1) crea un espacio limitado para componentes, trazas e interconexiones en el PCB. Los diseñadores deben equilibrar funcionalidad y tamaño sin comprometer el rendimiento o la fiabilidad.
Figura 1: Un PCB compacto para aplicaciones IoT (fuente: RS)
2. Eficiencia energética
Los dispositivos IoT a menudo funcionan con baterías y se espera que lo hagan durante periodos prolongados sin necesidad de frecuentes recargas o sustituciones. Una gestión energética eficiente se ha convertido en un factor crucial, puesto que un diseño deficiente del PCB puede causar pérdidas de energía y reducir la duración de la batería. Componentes del tipo de reguladores de tensión, los reguladores de baja caída (LDO) y los circuitos integrados de gestión de potencia (PMIC) deben seleccionarse e integrarse minuciosamente.
3. Conectividad inalámbrica
La mayoría de dispositivos IoT se basan en tecnologías de comunicación inalámbrica como Wi-Fi, Bluetooth, Zigbee o LoRa. Estas tecnologías requieren antenas bien diseñadas, una adaptación de impedancia adecuada y una interferencia de señal mínima. Los diseñadores de PCB se enfrentan al desafío de garantizar una sólida integridad de la señal y, a la vez, de encajar las antenas y los componentes de RF en un diseño compacto.
4. Gestión térmica
El diseño compacto de los dispositivos IoT puede generar concentración de calor, especialmente en aplicaciones de alto rendimiento como la IA periférica o la transmisión de vídeo. Una gestión térmica deficiente puede degradar la fiabilidad del dispositivo y acortar la vida útil de los componentes.
5. Integridad de la señal e interferencia electromagnética (EMI)
Los dispositivos IoT con frecuencia operan en entornos con un ruido electromagnético significativo. Es crítico garantizar la integridad de la señal y reducir la EMI para mantener un rendimiento fiable. Esto resulta particularmente exigente a medida que los PCB se vuelven más compactos, lo que aumenta el riesgo de diafonía y degradación de la señal.
6. Durabilidad y consideraciones medioambientales
Los dispositivos IoT pueden desplegarse en entornos hostiles, expuestos a factores como la humedad, el polvo y temperaturas extremas. Los PCB deben satisfacer estrictas normas de durabilidad, incluyendo revestimientos conformados y materiales robustos.
Soluciones para un diseño de PCB para IoT compacto y eficiente
PCB multicapa
Para hacer frente a las limitaciones de espacio en los dispositivos IoT, los diseñadores utilizan frecuentemente PCB multicapa. Al agregar múltiples capas, pueden separar trazas de potencia y de señal, integrar planos de tierra para el blindaje contra interferencias electromagnéticas (EMI) y alojar más componentes en un espacio compacto.
Este enfoque ayuda a conseguir diseños de alta densidad sin comprometer el rendimiento. Además, los apilamientos avanzados de PCB (figura 2) permiten una mejor gestión térmica y una mayor integridad de la señal al aislar las trazas sensibles de las rutas de alimentación o de alta frecuencia. Los modernos diseños multicapa también facilitan la integración de circuitos de señal mixta y de RF en la misma placa, garantizando así un funcionamiento más eficiente y fluido de los sistemas IoT.
Figura 2: Apilamiento de un PCB multicapa (fuente: elecrow)
Gestión energética avanzada
La eficiencia energética es una consideración crítica en el diseño de PCB para IoT, ya que muchos dispositivos funcionan con batería. Los diseñadores pueden mejorar significativamente el consumo de energía mediante la incorporación de componentes de consumo ultrabajo y la optimización de las redes de suministro de potencia (PDN). Técnicas como el escalado dinámico de tensión (DVS) permiten que la tensión suministrada a los componentes varíe en función de las demandas de la carga de trabajo, lo que reduce el consumo energético durante períodos de baja actividad.
Los circuitos en modo reposo y la técnica «power gating» también contribuyen a conservar la energía durante los períodos de inactividad. Además, la selección de circuitos integrados de gestión de potencia (PMIC) con funciones como regulación de tensión, secuenciación de potencia y control de energía no solo simplifica el diseño, sino que también ahorra un valioso espacio en la placa y reduce el número de componentes. Estas estrategias contribuyen a prolongar la vida útil de la batería y a reducir la necesidad de recargas frecuentes o de mayores fuentes energéticas.
Colocación optimizada de la antena y diseño de RF
La comunicación inalámbrica está en el corazón de los dispositivos IoT, y el diseño y la colocación de la antena son esenciales para garantizar un rendimiento robusto. Los diseñadores deben planificar cuidadosamente la orientación y colocación de la antena al objeto de evitar interferencias y garantizar una intensidad de señal óptima. Técnicas como las guías de onda coplanares, las redes de adaptación de impedancias y los blindajes de RF específicos ayudan a mejorar la calidad de la señal y a minimizar las pérdidas.
La toma de tierra y el desacoplamiento adecuados son asimismo esenciales para evitar el ruido y la degradación de la señal. Las herramientas de simulación son inestimables en esta fase, dado que permiten a los diseñadores modelar el rendimiento de la antena y predecir posibles problemas de interferencias o desajustes antes de que se creen los prototipos físicos. Las simulaciones de RF precisas, incluidas aquellas de reflexión de la señal y los patrones de radiación de antena, ayudan a optimizar el diseño final para mejorar la conectividad y el alcance.
Figura 3: Placa integrada compacta provista de una antena integrada en el PCB (fuente: Techplayon)
Gestión térmica eficiente
A medida que se reduce el tamaño de los dispositivos IoT y se aumenta su potencia, la gestión de la disipación térmica es cada vez más importante. La acumulación de calor puede afectar tanto al rendimiento como a la vida útil de los componentes. Los diseñadores incorporan técnicas de disipación de calor, como las vías térmicas, los disipadores térmicos y los vertidos de cobre para gestionar la temperatura de un modo eficaz.
Las vías térmicas, por ejemplo, permiten que el calor se transfiera entre capas para disiparlo de las zonas sensibles. Los disipadores térmicos y los vertidos de cobre distribuyen el calor sobre una superficie mayor, lo que promueve una distribución uniforme del calor. Además, la incorporación de componentes de bajo consumo reduce la generación total de calor. El software de simulación térmica permite a los diseñadores predecir puntos calientes y optimizar el diseño para una disipación térmica uniforme. Esto garantiza que los componentes sensibles a la temperatura, como los microcontroladores o los transceptores de RF, se mantengan dentro de unos intervalos de funcionamiento seguros.
Conexión a tierra y apantallamiento
Unas prácticas adecuadas de conexión a tierra y apantallamiento son críticas para reducir las EMI y garantizar la integridad de la señal en dispositivos IoT compactos. Los planos de tierra en PCB multicapa desempeñan un papel clave en la estabilización de las señales, así como en la prevención de bucles de tierra, que pueden causar ruido y degradación del rendimiento.
Un blindaje EMI eficaz, ya sea en forma de carcasas metálicas o capas de blindaje específicas, protege los componentes sensibles de las interferencias externas y minimiza la radiación procedente de fuentes internas. En circuitos de alta velocidad o RF, las técnicas de señalización diferencial pueden contribuir a reducir la susceptibilidad al ruido, garantizando así una transmisión de datos limpia. Asegurarse de que el sistema de conexión a tierra sea robusto y consistente a través de todo el diseño ayuda a mantener la conformidad tanto funcional como electromagnética.
Selección de materiales robustos
La elección de materiales es crítica en el diseño de PCB para IoT para garantizar la durabilidad, la fiabilidad y un rendimiento óptimo en diversos entornos. El uso de materiales duraderos y de alta calidad garantiza que el PCB pueda soportar tensiones mecánicas, fluctuaciones de temperatura y la exposición a elementos como la humedad y el polvo. Los PCB flexibles, fabricados con materiales como la poliimida, se utilizan frecuentemente en dispositivos portátiles («wearable») o en aquellos que deben adaptarse a superficies no planas.
Estas placas flexibles reducen el volumen y, al mismo tiempo, proporcionan una funcionalidad de alta densidad. Los revestimientos conformados, a menudo aplicados a la superficie del PCB, ofrecen protección adicional contra los contaminantes ambientales y la corrosión, lo que aumenta la longevidad del dispositivo. Además, la selección de materiales con baja tangente de pérdida y alta conductividad térmica puede optimizar la integridad de la señal y la gestión térmica.
Herramientas de automatización del diseño y de simulación
Las modernas herramientas de diseño de PCB son indispensables para los diseños IoT compactos, ya que ofrecen funciones avanzadas que permiten un diseño eficiente y un prototipado rápido. Herramientas como Altium Designer, KiCad o Cadence Allegro aportan a los diseñadores soluciones integrales que admiten simulación, comprobación de reglas y visualización en 3D. Estas capacidades ayudan a identificar posibles problemas en etapas tempranas del proceso de diseño, como problemas de integridad de la señal, cuellos de botella en la distribución de energía o puntos calientes térmicos.
Las simulaciones de integridad de señal y potencia son especialmente importantes en placas de IoT complejas, donde interactúan múltiples señales de alta velocidad y carriles electrificados. Con herramientas de simulación integradas, los diseñadores pueden realizar pruebas como análisis de reflexión en el dominio del tiempo (TDR), análisis de diafonía y análisis de caída de tensión, lo que garantiza que el diseño final presente un rendimiento elevado y sea fiable. Además, las funciones automatizadas de verificación de reglas contribuyen a garantizar que el diseño se adhiera a los estándares del sector, con la consiguiente reducción de errores y de la necesidad de costosos retoques.
Mejores prácticas para el diseño de PCB para IoT
Colocación de componentes: organice los componentes de manera lógica para minimizar la longitud de las trazas y evitar el cruce de señales. Coloque los componentes de alta velocidad y los módulos de RF alejados de los ruidosos circuitos de potencia.
Enrutamiento de trazas - Utilice trazas anchas para las líneas eléctricas con el fin de reducir la resistencia y mantener la calidad de la señal. Evite curvas cerradas en las trazas para minimizar la reflexión de la señal.
Apilamiento de capas - Dedique capas separadas para alimentación, tierra y señales en los PCB multicapa. Un apilamiento bien planificado mejora el rendimiento de EMI y simplifica el enrutamiento.
Pruebas y validación - Pruebe rigurosamente los PCB para verificar la integridad de la señal, el rendimiento térmico y la conformidad EMI. El prototipado y los ciclos de diseño iterativos garantizan un producto final fiable.
Futuras tendencias en el diseño de PCB para IoT
La evolución de la tecnología IoT sigue influyendo en el diseño de PCB. Los PCB flexibles y estirables están ganando terreno, lo que permite aplicaciones innovadoras en el ámbito de la atención sanitaria y los dispositivos portátiles («wearables»). Los avances en la tecnología de semiconductores, como las soluciones system-on-chip (SoC) y system-in-package (SiP), propician una mayor integración de la funcionalidad en diseños compactos. Además, se espera que la adopción de la inteligencia artificial (IA) en la automatización del diseño agilice el proceso de creación de PCB para IoT eficientes.
Conclusión
El diseño de PCB para dispositivos IoT requiere un delicado equilibrio entre miniaturización, eficiencia energética, comunicación inalámbrica y durabilidad. Mediante el impulso de las técnicas modernas, como los diseños multicapa, la gestión avanzada de la energía y los materiales robustos, los ingenieros pueden crear placas compactas y eficientes capaces de satisfacer las demandas de las aplicaciones IoT. A la par con los avances tecnológicos, las nuevas herramientas y materiales seguirán potenciando las capacidades de los dispositivos IoT, impulsando la innovación en todos los sectores industriales.
11.02.2025
