¿Debo considerar el diseño de una PCB a la medida/personalizada para mi producto?

por Patricio Cohen, Ingeniero de Diseño Electrónico

Casi siempre sí, pero al final va a depender de tu aplicación

¿Debo diseñar una PCB a la medida o uso varias placas de desarrollo econónomicas para mi producto? Esta es una pregunta muy común.

Hoy en día, hay muchas PCB de desarrollo de bajo costo disponibles en el mercado para todos los que tengan interés en la electrónica. La gente puede aprender electrónica en casa sin la necesidad de equipos costosos. Los estudiantes pueden construir fácilmente ideas de proyectos básicos y probar conceptos específicos en la universidad. También, los emprendedores pueden rápidamente probar una idea de negocio antes de construir el producto definitivo. Ejemplos de este tipo de placas de desarrollo son la familia Arduino, Raspberry Pi, Beagleboard, etc.

Dado su bajo costo, es natural que algunas personas se pregunten por qué no deberían usarlas para su producto comercial. La respuesta a esta pregunta es – depende.

Al diseñar una idea de producto nueva, las probabilidades de que encuentres una placa de desarrollo estándar que se ajuste exactamente a tus necesidades son casi nulas. Dada esta restricción, será necesario usar varias tarjetas/protoboards con conexiones entre ellos. El apodo «Sistema Frankenstein» es muy apropiado en estos casos, debido a que están conformados por varias tarjetas / placas unidas entre sí mediante conexiones deficientes.

Los sistemas Frankenstein son muy buenos para aprender en la universidad, para probar conceptos muy específicos y / o para divertirse mucho como hobbista. Sin embargo, pueden ser poco confiables y no son prácticos para su uso en productos comerciales e industriales, como explicaremos a continuación.

Repasemos algunos requisitos importantes que un producto debe tener.

Imagen corporativa

Si deseas comercializar el producto con tu marca, debe tener algún tipo de imagen corporativa. La mayoría de los productos deben tener un gabinete no solo para proteger los circuitos del entorno externo, sino también para darle una identidad y facilitar la experiencia del usuario. Es cierto que, en algunos casos, las tarjetas / placas de circuitos son el producto y no requieren de un gabinete. Sin embargo, debe existir algún tipo de imagen corporativa para que los clientes puedan identificar tu producto de la competencia. Vender tu producto como un grupo de tarjetas con cables entre ellas no es algo que te ayude a posicionar tu marca en el mercado.

Requerimientos de Gabinete (Housing)

En la mayoría de los productos, la electrónica debe estar dentro de un gabinete. Por lo tanto, no se pueden dejar de lado las características como su tamaño, peso y forma. Con tarjetas PCB personalizadas o hechas a la medida, tienes libertad para la forma. Incluso se puede diseñar una que coincida exactamente con las dimensiones del gabinete con la ayuda de modelado 3D.

Debido a que las tarjetas de desarrollo off-the-shelf tienen muchos terminales IO, éstas son generalmente grandes, lo que en consecuencia hace que el producto sea más voluminoso. Esto último puede ser muy indeseado para ciertos tipos de productos.

Implementación y Mantenimiento

Tener muchas placas conectadas entre sí no solo hace que el sistema sea propenso a errores, sino que también hace perder mucho tiempo al equipo técnico. Esto es cierto no solo durante las etapas de configuración y producción, sino también en el mantenimiento. Si el producto consiste en varias placas y/o protoboards conectados entre sí, la probabilidad de falla es mayor a medida que aumenta el número de elementos. De hecho, la temperatura y la vibración producen problemas en las conexiones cableadas que pueden producir efectos perjudiciales en aplicaciones industriales. Si el sistema es propenso a errores, se deberá proporcionar asistencia técnica con mayor frecuencia. Además, las tareas de mantenimiento serán más complejas y consumirán más recursos a medida que el Frankenstein sea más grande.

Diseñar una PCB personalizada para tu aplicación es sin dudas la mejor opción. Tendrás el sistema más pequeño posible y también con el menor número de conexiones a realizar (esto también es cierto para proyectos con múltiples PCB). También, con una PCB a la medida es posible la incorporación de características que monitoreen el hardware ante fallas lo que puede proporcionar tranquilidad adicional. Al final, el mantenimiento será mucho más fácil, menos costoso y mucho menos frecuente.

Propiedad Intelectual

Para las tarjetas de desarrollo como las mencionadas al principio de este artículo, existe una gran cantidad de información disponible en la red. Esta información se puede consultar fácilmente en foros y otros sitios web que cuentan con un gran número de usuarios y visitantes. En estos lugares se puede preguntar casi cualquier cosa sobre hardware y software. La mayoría de estas placas PCB tienen el software de aplicación dentro de una tarjeta SD que se puede copiar fácilmente.

Por último, muchas de estas placas son de código abierto. Y esto te obliga a convertir tu proyecto en código abierto también.

Costos de manufactura

De nuevo, como se señaló anteriormente, estas tarjetas son grandes porque necesitan exponer todos los pines del IC. Lo hacen mediante largos headers que están diseñados para cablear rápidamente las conexiones a otras placas o placas de prueba (protoboards). No es raro que algunos componentes (circuitos integrados y conectores) no sean necesarios en tu aplicación. Esto es obviamente un desperdicio de recursos en superficie de PCB y componentes, que en grandes cantidades podría ser mucho dinero.

Por el contrario, las placas PCB personalizadas tienen exactamente los recursos que se necesitarán usar. No se desperdiciará dinero.

Confiabilidad

Las placas de desarrollo, como su nombre lo dicen, son para «desarrollar» o probar un concepto rápidamente. Además, su mercado objetivo no son los fabricantes de sistemas sino hobbistas, estudiantes y emprendedores. Por eso la fiabilidad mecánica y eléctrica a lo largo del tiempo no es algo que les preocupe. Sus headers, por ejemplo, no son apropiados para conexiones a largo plazo. Tarde o temprano las conexiones se soltarán y causarán problemas con otras placas que son partes del Frankestein.

Si tienes la intención de utilizar tu producto en un entorno industrial, hay otras cosas adicionales que debes tener en cuenta. Especialmente importante es como se comportarán las tarjetas de desarrollo ante eventos eléctricos y mecánicos no deseados. Algunas de las preguntas más básicas que debes hacerte sobre las placas de desarrollo que piensas utilizar son:

• ¿Pueden operar bajo un rango de temperatura industrial?
• ¿Es la PCBs inmune al ruido electromagnético externo?
• ¿Qué sucede cuando ocurren subidas y bajadas de voltaje en la alimentación?
• ¿Están las líneas IO de entrada protegidas contra sobretensiones o descargas electroestáticas?
• ¿Son apropiadas las interfaces de comunicaciones disponibles?

En los sistemas Frankenstein, cualquiera de estos eventos hará que su desempeño no sea el deseado y también podría ser dañado en forma permanente. Esto se debe a que están diseñadas para ser muy económicas y no para este tipo de aplicaciones.

Desempeño Analógico

Es cierto que estas placas tienen ADC y DAC para aplicaciones de señal mixta, pero su rendimiento suele ser muy limitado. Solamente son útiles para aplicaciones DC o de baja frecuencia y señales relativamente grandes. Esto se debe a que una conversión confiable de analógico a digital requiere placas PCB multicapa y prolijas técnicas de diseño para minimizar la contaminación por ruido externo. Si necesitas convertir señales muy pequeñas, es probable que tengas muchos problemas de ruido.

En los casos en que la solución consiste en un grupo de placas conectadas a través de cables, el resultado es mucho peor. Por otro lado, las placas PCB hechas a la medida, cuando son diseñadas para aplicaciones analógicas que necesitan medir señales muy pequeñas, la fiabilidad y el rendimiento analógico estarán garantizados por el diseño. Además, en todos nuestros diseños de placas PCB, desde el principio hasta su término nos preocupamos de realizar cuidadosamente el desarrollo del esquemático como del PCB layout. Esto es para evitar problemas de integridad de señal y EMC.

Es importante tener en cuenta que, dependiendo de la señal que desee convertir al dominio digital, se deberá considerar el diseño de un front-end o bloque de acondicionamiento de señal. En una PCB personalizada, esto estará muy cerca del circuito del convertidor de datos para obtener mejores resultados. Por el contrario, en los sistemas de Frankenstein esto no siempre es posible y el deterioro del rendimiento analógico puede ocurrir.

Desempeño de tiempo real

Si se necesita adquirir señales analógicas comenzando desde los cientos de kilohertz o megahertz y planeas utilizar este tipo de placas de desarrollo, estás absolutamente en una mala dirección. Incluso si éstas tuvieran el hardware adecuado para realizar la conversión de analógico a digital en esas frecuencias, la falta de potencia de procesamiento digital de señales hará que estos tipos de placas sean inútiles para tales aplicaciones. Aquí una PCB personalizada basada en DSP o FPGA es la única forma.

Bajo consumo

Este es un factor clave para muchos sistemas embebidos que deben consumir muy poca energía. Las redes de sensores inalámbricos son un muy buen ejemplo. Los ingenieros en estos casos necesitan usar varias técnicas para extender la vida útil de la batería. El uso cuidadoso de los modos de bajo consumo y técnicas como la disminución de la frecuencia del reloj en los procesadores es muy común. Además, es requerido controlar el encendido y apagado de los diversos dispositivos del sistema de tal forma de garantizar el mínimo consumo posible. Por otro lado, el hardware debe diseñarse cuidadosamente para evitar fugas de corriente (¡aquí los micro amperes son importantes!). En otras palabras, necesita un control total de los recursos de hardware y software. Las placas de desarrollo económicas disponibles en el mercado no eficientes en el consumo de energía, lo que en consecuencia producirá que la batería se agote en un tiempo mucho menor.

Conclusión

Si las observaciones mencionadas anteriormente no afectan a tu producto, entonces debes usar un sistema Frankenstein basado en placas de desarrollo económicas porque son la mejor opción en términos de costo y tiempo. Tiene sentido que tal vez para productos de gama baja y de muy pequeña escala se beneficien con este tipo de sistemas. Sin embargo, si realmente quieres desarrollar y comercializar productos, debe tener en cuenta todos los puntos mencionados aquí. En conclusión, esto significa que la mejor opción es diseñar una PCB personalizada para tu producto.