Guia tutorial de design de layout de PCB para o seu próximo projecto de electrónica

Uma placa de circuito impresso (PCB) serve de plataforma para ligar componentes electrónicos. Os projectistas são obrigados a aderir às normas DFM e IPC para a conceção de circuitos, de modo a melhorar o desempenho operacional da PCB. No entanto, a conceção de uma PCB é uma tarefa complexa que exige um conhecimento alargado. Neste tutorial, a FS Technologies tem como objetivo fornecer informações essenciais sobre dicas e regras para a conceção de placas de circuito impresso que são vitais para garantir a funcionalidade e a fiabilidade do produto final do seu próximo projeto.

Directrizes para a apresentação de PCB

Máscara de solda azul PCB placa nua

A disposição da placa de circuito impresso é um aspeto crítico do processo de conceção do circuito, uma vez que determina o tamanho, a forma e a disposição dos componentes, bem como os traços de cobre que os ligam. Envolve também a colocação de viasconectores e outros componentes mecânicos necessários para Montagem de PCB e montagem na placa. A conceção eficaz da disposição deve atenuar problemas como o ruído de sinal, a diafonia e a EMI. Normalmente, recomenda-se que os traços altos sejam curtos e directos e que todos os traços sejam mantidos afastados de componentes ruidosos, como fontes de alimentação e motores. Neste tutorial, iremos aprofundar estas questões com mais pormenor.

Ruído do sinal

  • Encurtar os percursos de cablagem: O fluxo de corrente num circuito depende da cablagem. Fios excessivamente longos podem aumentar a resistência do circuito, diminuir a velocidade de transmissão do sinal e reduzir a qualidade do sinal.
  • Separar sinais digitais e analógicos: Os sinais digitais contêm componentes de alta frequência e interferências. Quando os sinais digitais e analógicos são dispostos em conjunto, o sinal analógico pode sofrer interferências. Recomenda-se a separação dos fios de terra destes sinais para evitar interferências de refluxo.
  • Planta baixa: Isto envolve a separação deliberada de camadas de terra em áreas distintas para garantir ligações de terra adequadas entre regiões. A separação das áreas de terra pode melhorar o desempenho térmico e reduzir a interferência de sinal, o que é fundamental para manter as temperaturas normais de funcionamento dos componentes.
  • Evitar interferências: Para além da cablagem e do planeamento, a utilização de componentes como filtros, condensadores e indutores pode evitar a interferência mútua entre sinais. Estes componentes podem reduzir a radiação electromagnética e a suscetibilidade electromagnética no circuito. Se necessário, a FS Technology pode fornecer serviços completos de circuitos impressos, incluindo aquisição de componentes. Obtemos componentes de alta qualidade de fabricantes certificados para o seu projeto PCBA.
  • Configuração equilibrada: Esta é uma técnica que se baseia numa disposição mais razoável entre componentes e linhas de sinal para melhorar o desempenho do circuito. Os factores a considerar incluem a distribuição de energia, os pinos de sinal, o planeamento da ligação à terra, a capacitância da fonte de alimentação e a correspondência de impedâncias.

Diafonia

  • Separação das linhas de sinal de alta e baixa velocidade: Os sinais de alta velocidade mudam mais rapidamente, mas também têm algumas desvantagens, como a diafonia electromagnética, que pode afetar a estabilidade e a fiabilidade das linhas de sinal de baixa velocidade devido à frequência. Por conseguinte, a distribuição eficaz dos fios de alimentação e de terra pode reduzir a probabilidade de diafonia mútua.
  • Planeamento razoável do terreno: O planeamento adequado da ligação à terra garante que todos os dispositivos na placa estão efetivamente ligados à terra. As seguintes regras devem ser seguidas: minimizar os loops de terra, manter planos de terra, evitar linhas de terra finas e longas e usar uma grande área de terra.
  • Utilizar proteção: Se a diafonia for inevitável durante o projeto, a blindagem é uma boa solução. Consiste em materiais metálicos colocados à volta da linha de sinal que precisa de ser protegida contra interferências. Pode isolar eficazmente a linha de sinal e reduzir a interferência da radiação electromagnética.
  • Camadas de PCB adequadas: Embora a adição de mais camadas aumente o custo, é uma solução eficaz. PCB multiníveis fornecem mais camadas de sinal, e o intervalo entre camadas pode aumentar a área de superfície, reduzindo assim os problemas de diafonia.

Interferência electromagnética

  • Estrutura hierárquica: Para aplicações topo de gama que requerem um grande número de linhas na placa, a complexidade e o cruzamento das linhas podem levar a interferências electromagnéticas. PCB de alta frequência é normalmente utilizado nessas aplicações, e uma disposição em camadas ou uma tecnologia de controlo da impedância da placa de circuito impresso pode ajudar a reduzir problemas como a distorção e a instabilidade do sinal.
  • Material de substrato adequado: Diferentes materiais de substrato têm efeitos diferentes no desempenho da placa de circuito impresso, pelo que é importante compreender as características de diferentes tipos de PCB antes de iniciar o processo de conceção. Por exemplo, materiais como a fibra de vidro e a poliimida podem ajudar a reduzir as interferências electromagnéticas.
  • Simulação e análise: A simulação e a análise do circuito antes da conceção podem ajudar os projectistas a compreender o princípio de funcionamento e o desempenho do circuito, bem como a prever e otimizar o seu desempenho anti-interferência. Ferramentas como o simulador SPICE podem efetuar cálculos numéricos precisos e simulações do circuito, ajudando os projectistas a avaliar o seu desempenho e a determinar os parâmetros dos componentes. Os simuladores de campos electromagnéticos podem simular a propagação e a interferência de campos electromagnéticos, ajudando na análise e resolução de problemas de interferência electromagnética.

Tutorial de colocação de componentes

Sendo uma das secções mais críticas da placa PCBA, os componentes principais devem ser colocados perto do centro da placa durante a conceção. Isto ajudará a minimizar o comprimento dos traços de sinal e a reduzir a possibilidade de interferência. Aqui estão alguns tutoriais para a colocação de componentes no design de PCB:

  • Agrupar por função: Os diferentes componentes têm várias funções e papéis. Os projectistas precisam de compreender as suas características e dividir o circuito em diferentes partes de acordo com a função. Depois, podem colocar os componentes relacionados juntos para um melhor controlo do percurso do sinal e otimização da transmissão do sinal. Por exemplo, os componentes de potência devem ser colocados próximos uns dos outros e os componentes que pertencem ao mesmo percurso de sinal devem ser agrupados.
  • Montagem e reparação: Os componentes concebidos no layout são utilizados na montagem final do PCBA. Se o espaçamento for demasiado pequeno, pode causar dificuldades de montagem e problemas de falha, aumentando o custo do projeto. Por conseguinte, considerar a possibilidade de montagem ao conceber a disposição dos componentes é uma técnica para reduzir os custos. Para além disso, a falha do PCBA é inevitável, pelo que é necessário considerar a reparação ou dessoldagem de componentes.
  • Características térmicas dos componentes: Alguns componentes geram mais calor quando o circuito está a funcionar, como os amplificadores de potência e os processadores. No entanto, se os componentes forem colocados de forma demasiado densa, os componentes com fraco desempenho térmico podem ser afectados e danificados. A FS Technology recomenda a colocação de componentes geradores de calor em áreas abertas ou em áreas de dissipação de calor aquando da conceção de PCB, para evitar a influência mútua entre componentes.
  • Transmissão de dados: Como já foi referido, é fundamental encurtar o percurso do sinal. Por conseguinte, os componentes de comunicação, como os microprocessadores, a memória e os chips de interface, devem ser colocados próximos uns dos outros. Estes componentes comunicam ou trocam dados entre si, pelo que a sua colocação próxima pode reduzir o tempo de transferência de dados.
  • Orientação e alinhamento: A orientação e o alinhamento dos componentes estão relacionados com a direção do fluxo do sinal, a limpeza da placa e o percurso do sinal. Assim, orientação dos componentes é um aspeto essencial das directrizes de conceção da placa de circuito impresso. Eis alguns conselhos: as resistências devem ser colocadas perpendicularmente à direção da placa e os condensadores devem ser colocados paralelamente à placa para facilitar o encaminhamento.
  • Siga as sugestões do fabricante: Os ficheiros de conceção têm de ser enviados ao fabricante. Para Empresas de PCBA Tal como a FS Technology, existe um departamento de design independente, cujos membros são profissionais experientes da indústria eletrónica. Assim, a referência às modificações fornecidas pelos pareceres da empresa de PCBA é frequentemente mais benéfica do que prejudicial para o projeto.

Regras de largura de traço

Largura do traço da placa de circuito impresso

A largura de um traço numa placa de circuito impresso deve basear-se na corrente que tem de transportar. Deve garantir-se que a largura do traço é suficiente para evitar o sobreaquecimento ou a combustão devido ao elevado fluxo de corrente. 

A fórmula para calcular a largura de via de uma placa de circuito impresso é a seguinte

Largura do traço (W) = (aumento da temperatura × peso do cobre)/(comprimento do traço interno × área da secção transversal do cobre)

Onde,

Aumento de temperatura Aumentos de temperatura máximos permitidos para o traço

Peso do cobrePeso do cobre por unidade de área do traço. 

Comprimento do traço interno Comprimento do traço que corre internamente na PCB.

Área da secção transversal do cobre Área da secção transversal do traço de cobre. É calculada multiplicando a largura do traço pela espessura do cobre

Dicas para Via PCB

Uma via é um pequeno orifício que passa através de diferentes camadas de uma PCB, ligando-as entre si. É importante utilizar corretamente as vias durante a conceção da PCB. As vias devem ser colocadas em locais que não interfiram com outros componentes ou traços de sinal, e deve ter-se o cuidado de evitar interferências com outras vias ou componentes. Existem três tipos de vias com base na sua posição na PCB:

  • Através do orifício via: Esta via atravessa o PCB de cima para baixo e é fácil de perfurar porque não é necessário parar de perfurar no ponto desejado. Esta via é maior do que os outros tipos.
  • Enterrado através de: Ao contrário das vias tradicionais que ligam as camadas superior e inferior de uma placa de circuito impresso, as vias enterradas estão localizadas entre as camadas interiores e não são visíveis à superfície. A utilização eficiente do espaço na placa de circuito impresso pode ajudar a reduzir o tamanho e o peso dos dispositivos electrónicos.
  • Cego via: Estas vias ligam uma camada exterior a uma camada interior da placa de circuito impresso. O seu fabrico é tecnicamente difícil, uma vez que a perfuração tem de ser efectuada com precisão.

Directrizes de ligação à terra

  • Utilize uma placa de terra sólida: Um plano de terra sólido fornece um caminho de retorno de baixa impedância para a corrente, reduz o ruído e melhora a fiabilidade do circuito. Idealmente, o plano de terra deve cobrir toda a placa de circuito impresso para garantir que o caminho de retorno da corrente seja sempre a menor distância possível.
  • Manter as correntes de retorno do sinal de alta velocidade separadas de outras correntes de terra: Os sinais de alta velocidade podem criar loops de corrente significativos que podem interferir com outras correntes de terra. Para minimizar essa interferência, é importante manter as correntes de retorno de sinais de alta velocidade separadas de outras correntes de terra. Isto pode ser conseguido utilizando um plano de terra separado ou encaminhando os sinais de alta velocidade e as suas correntes de retorno em conjunto.
  • Minimizar a área do circuito de terra: Os loops de terra podem criar ruído indesejado no circuito. Para minimizar a área do loop de terra, mantenha o caminho de terra tão curto e direto quanto possível. Tente evitar rotear os traços de terra em loops ou usar vários pontos de terra.
  • Terra analógica e digital separadas: Os circuitos analógicos e digitais devem ser mantidos separados para evitar interferências. É importante manter os planos de aterramento analógico e digital separados e conectá-los em um único ponto para evitar loops de aterramento. A separação do aterramento analógico e digital pode ajudar a reduzir a diafonia, o ruído e a interferência.
  • Considerar a ligação à terra das fontes de alimentação: As fontes de alimentação devem ser devidamente ligadas à terra para minimizar o ruído e as interferências. Utilize uma ligação à terra separada para cada fonte de alimentação e ligue-as à terra principal num único ponto. É importante evitar a partilha de uma ligação à terra entre diferentes fontes de alimentação, uma vez que pode criar loops de terra e introduzir ruído no circuito. Uma ligação à terra adequada pode melhorar o desempenho e a fiabilidade do circuito.

Orientações para a alimentação eléctrica

Devemos utilizar reguladores de tensão e filtros para garantir que a fonte de alimentação é estável e fiável para funcionar de acordo com os seus valores nominais. Também é importante garantir que os traços da fonte de alimentação são suficientemente largos para suportar a carga atual.

  • Minimizar as quedas de tensão: Utilize traços grossos ou múltiplos traços paralelos para minimizar as quedas de tensão entre a fonte de alimentação e a carga. Calcule a queda de tensão e ajuste a largura do traço em conformidade.
  • Considerar a gestão térmica: As fontes de alimentação podem gerar calor significativo, especialmente se estiverem a funcionar com níveis de corrente elevados. Considere adicionar dissipadores de calor, ventoinhas ou outros mecanismos de arrefecimento para dissipar o calor e garantir um funcionamento fiável.
  • Desvio da fonte de alimentação: Se o seu circuito tiver componentes analógicos ou digitais sensíveis, considere adicionar um condensador de derivação entre a fonte de alimentação e a terra. Isso pode ajudar a suavizar quaisquer flutuações de tensão e evitar ruídos.

Directrizes de ensaio de PCB

Acompanhamento de todo o Ensaio de PCB é um aspeto crucial da validação da conceção, e a escolha de um Serviço de prototipagem PCBA com uma resposta rápida pode ajudá-lo a concluir os testes rapidamente, permitindo que os problemas sejam identificados e resolvidos antes de se tornarem problemas graves. É importante testar cada componente e subsistema durante o processo de construção e testar exaustivamente toda a placa após a conclusão da montagem. As ferramentas de teste automatizadas podem ajudar no processo de teste e reduzir as hipóteses de erro humano. Considere a utilização de ferramentas de teste de PCB, tais como varrimento de limites, inspeção ótica automatizada (AOI) ou inspeção automática por raios X (AXI). Para facilitar o teste de ICP, considere adicionar um conetor ou pad de programação.

Conclusão

Utilizando os conhecidos Software de apresentação de PCB em projectos de design podem simplificar o seu processo de design. Estas ferramentas permitem que os designers criem, editem e optimizem os designs de esquemas antes de fabrico de PCB. A atenção às regras acima mencionadas e a utilização destas técnicas, juntamente com o envio dos ficheiros de design para a caixa de correio da FS Technology, são factores-chave para produzir PCB ou PCBA de alta qualidade e ganhar a atenção dos fabricantes de eletrónica.

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