No projeto e na engenharia reversa de produtos eletrônicos, o projeto do layout da placa de circuito impresso (PCB) é uma etapa importante, que afeta diretamente o desempenho do circuito. Criar um layout de PCB eficaz é uma tarefa desafiadora, especialmente se você não tiver experiência suficiente nessa área. Nesta publicação, você pode aprender sobre nossas diretrizes de layout de PCB para seguir todas as melhores práticas e padrões.
Qual é o layout ideal para uma placa de circuito impresso?
Qual é exatamente o layout ideal para uma placa de circuito impresso (PCB)? Bem, não se trata de um projeto fixo, mas sim de um processo em constante evolução. Cada projeto de circuito é diferente, assim como o layout. No entanto, existem certos aspectos que todos os layouts bem-sucedidos têm em comum. Vamos dar uma olhada em alguns deles.
– Largura e comprimento do traço – Se você deseja que seu circuito funcione corretamente, precisa garantir que seus traços tenham a largura e o comprimento adequados. Isso significa que você também precisa decidir onde colocá-los. A largura é fundamental para a integridade do sinal digital. Quanto menor a largura, menor a probabilidade de captar ruído e interferência.
– Posicionamento do aterramento – O posicionamento do aterramento no projeto do circuito é fundamental. Primeiro, certifique-se de ter conexões de aterramento suficientes. Em seguida, certifique-se de que todas elas estejam conectadas e ao aterramento analógico comum.
– Posicionamento do sinal – O posicionamento dos sinais em seu projeto também é extremamente importante. Certifique-se de que os sinais sejam roteados na direção "de dentro para fora". Isso significa que você começa com os sinais mais importantes e segue para os menos importantes. Se você usar um gráfico hierárquico para o projeto, isso será muito mais fácil.
– Distribuição de energia – A distribuição de energia também é importante. Você precisa se certificar de que todas as áreas de alta potência e alta corrente tenham uma conexão com o aterramento. Isso inclui circuitos de energia, bem como traços de alta corrente.
#1 Selecione a estratégia de design antes do layout
Antes de iniciar o layout, você precisa decidir sua estratégia de design. Isso inclui aspectos como o número de camadas, a largura dos traços e a quantidade de cobre que você usará. Para fazer isso, você precisa ter uma ideia clara do que o circuito faz e do que você precisa que ele faça. Além disso, você também precisa conhecer as limitações do processo de fabricação de PCB. Abaixo estão algumas estratégias diferentes que você pode usar no layout da sua placa de circuito:
– Roteamento padrão – O roteamento padrão é a estratégia de design mais comum. Você o usa quando não tem requisitos especiais para sua placa de circuito.
– Micro-roteamento – Se você precisar de traços muito pequenos e conexões muito curtas, será recomendável usar o micro-roteamento.
– Roteamento em árvore – Se você precisar de um grande número de conexões que precisam ser distribuídas de forma eficiente, será recomendável usar o roteamento em árvore. O roteamento em árvore é comumente usado em placas de alta tecnologia com um grande número de sinais.
#2 Estabeleça as estratégias de pegada
Depois de decidir sua estratégia de design, você precisa estabelecer as estratégias de footprint para sua placa. Você precisa decidir onde irá colocar os componentes na placa. Você precisa criar um footprint para cada componente e colocá-los na placa de uma maneira que faça sentido. Isso inclui garantir que os componentes sejam colocados próximos às conexões. Você não quer criar um layout que exija que a placa de circuito seja colocada em uma posição específica. Isso tornará mais difícil montar e usar o produto.
#3 Regras de posicionamento de componentes em placas de circuito impresso (PCB)
1. dispositivo de proteção de interface
Para o dispositivo de proteção da interface, você deve colocá-lo o mais próximo possível da interface. Além disso, os diferentes requisitos de posicionamento dos componentes:
A ordem geral dos dispositivos de proteção contra raios dos circuitos de alimentação: varistores, fusíveis, diodos de supressão, filtros EMI, indutores ou indutores de modo comum.
Geralmente, a ordem dos dispositivos de proteção para sinais de interface é: ESD (tubo TVS), transformador de isolamento, indutor de modo comum, capacitor e resistor.
2. Espaçamento dos componentes
Espaçamento mínimo recomendado entre componentes:
- O espaçamento entre as bordas das almofadas de pequenos componentes RC é >0,3~0,7 mm;
- Entre outros componentes de chip, entre SOT, entre SOIC e componentes de chip é de 1 ~ 1,25 mm;
- Entre SOIC e entre SOIC e QFP é de 1,5-2,0 mm;
- A distância entre PLCC e componentes de chip, entre SOIC e QFP é de 2-2,5 mm;
- 3～4 mm entre PLCC.
- A distância entre a parte externa da almofada do componente plug-in e a parte externa da almofada do componente chip é maior que 1,5 a 2 mm;
- O espaçamento entre as bordas das almofadas entre os componentes plug-in que foram soldados por onda é superior a 1 a 2 mm;
- A distância entre o BGA e os componentes adjacentes é superior a 3-5 mm.
3. Dispositivos suscetíveis a interferências
Os dispositivos suscetíveis a interferências ESD, como os dispositivos NMOS e CMOS, devem ser mantidos o mais longe possível de áreas suscetíveis a interferências ESD (como a área da borda de uma placa única).
4. Layout do dispositivo do relógio
- Os cristais, osciladores de cristal e distribuidores de relógio devem estar o mais próximo possível dos dispositivos IC relacionados;
- O filtro do circuito do relógio (tente usar o filtro do tipo "∏") deve estar próximo ao pino de entrada das linhas de alimentação do circuito do relógio;
- Se a saída do oscilador de cristal e do distribuidor de relógio está conectada em série com um resistor de 22 ohms;
- Se os pinos de saída não utilizados do distribuidor de relógio estão aterrados através de resistores;
- O layout dos cristais, osciladores de cristal e distribuidores de clock deve ser mantido longe de componentes de alta potência, dissipadores de calor e outros dispositivos geradores de calor;
- Se o oscilador de cristal está a mais de 1 polegada de distância da borda da placa e do dispositivo de interface.
5. Capacitores e filtros
- O capacitor deve ser colocado próximo ao pino de alimentação, e quanto menor a capacitância, mais próximo do pino de alimentação;
- O filtro EMI deve estar próximo à porta de entrada da fonte de alimentação do chip;
- Em princípio, cada pino de alimentação tem um pequeno capacitor de 0,1 uf e um ou mais capacitores grandes de 10 uf para um circuito integrado, que podem ser aumentados ou diminuídos de acordo com a situação específica.
#4 Regras de roteamento de PCB
As regras de roteamento de PCB são as diretrizes que os projetistas usam para determinar o posicionamento e o roteamento das trilhas em uma placa de circuito impresso. Essas regras ajudam a garantir que a PCB finalizada funcione corretamente e atenda a todas as especificações elétricas necessárias. Há uma variedade de regras de roteamento diferentes que podem ser usadas, e as regras específicas seguidas dependerão do projeto específico e dos requisitos do projeto.
1. Conexão de rastreamento, sinal e alimentação
Há alguns pontos importantes a serem lembrados ao traçar PCBs:
– Certifique-se de que as larguras dos traços sejam adequadas para a corrente que você transportará. Traços muito estreitos resultarão em calor excessivo e possíveis falhas; traços muito largos serão desnecessariamente caros.
– Esteja ciente dos diferentes tipos de planos de cobre e como eles podem ser usados a seu favor. Planos de alimentação e aterramento, por exemplo, podem ser muito úteis para manter o ruído e a interferência ao mínimo.
– Certifique-se de levar em consideração os diferentes requisitos de impedância dos sinais digitais e analógicos. Os sinais digitais precisam ser roteados com traços de baixa impedância para minimizar reflexões e interferências, enquanto os sinais analógicos podem ser roteados com traços mais grossos e de maior impedância.
– Preste atenção ao espaçamento entre os traços, especialmente ao rotear sinais de alta velocidade. O espaçamento entre os traços afeta a capacitância dos traços, o que, por sua vez, afeta a integridade do sinal.
– Considere o uso de vias para rotear sinais entre diferentes camadas da PCB. Isso pode ser útil para minimizar o comprimento dos traços e reduzir a diafonia.
– Certifique-se de que há espaço adequado ao redor dos pinos de alimentação e aterramento. Essas áreas podem ser suscetíveis a problemas de arco elétrico e térmicos, por isso é importante mantê-las livres.
Seguindo essas orientações simples, você pode garantir que suas PCBs sejam roteadas corretamente e funcionem conforme o esperado.
2. Conexão Kelvin
As conexões Kelvin, também conhecidas como conexões de força e sentido, são uma maneira conveniente de eliminar os efeitos das quedas de tensão nos fios dos circuitos.
Embora em um esquema possa parecer o mesmo colocar a conexão em uma almofada de resistor ou em algum ponto arbitrário, o traço real tem indutância e resistência e pode fazer com que suas medições falhem se você não usar uma conexão Kelvin.
#5 Problema com o aquecimento
1. Layout térmico
Existem três aspectos principais do calor em PCB:
- dissipação de calor através das placas dos componentes;
- o calor do próprio PCB;
- calor proveniente de outras peças.
Colocar cobre extra ao redor dos componentes montados na superfície proporciona uma área adicional para dissipar o calor de forma mais eficiente. Algumas fichas técnicas de componentes (especialmente diodos de potência e MOSFETs de potência ou reguladores de tensão) têm diretrizes para usar a área da superfície da placa de circuito impresso como dissipador de calor.
2. Vias térmicas e alívio térmico
As vias podem ser usadas para transferir calor de um lado do PCB para o outro. Isso é especialmente útil quando o PCB é montado em um dissipador de calor em um chassi que pode dissipar ainda mais o calor. Vias grandes transferem calor com mais eficiência do que vias pequenas. Muitas vias transferem calor com mais eficiência do que uma via e reduzem a temperatura de operação do componente. Temperaturas de operação mais baixas ajudam a melhorar a confiabilidade.
O alívio térmico torna as conexões entre os traços ou preenchimentos e os pinos dos componentes menores para facilitar o processo de soldagem por onda. Essa pequena conexão é curta para reduzir o efeito sobre a resistência. Se você não usar dissipadores de calor nos pinos dos componentes, os componentes podem ficar mais frios porque há melhores conexões térmicas com traços ou preenchimentos que podem dissipar o calor, mas será mais difícil soldar e dessoldar.
#6 Verifique seu layout pelas regras de design
Após a conclusão do layout da placa de circuito impresso, é importante garantir a verificação das regras elétricas (ERC) e das regras de projeto (DRC) para verificar se todas as restrições estabelecidas foram atendidas. Elas simplificam a especificação de larguras de intervalo, larguras de traço, requisitos comuns de fabricação, requisitos elétricos de alta velocidade e outros requisitos físicos para sua aplicação específica.
A verificação DRC é o programa dentro do software EDA responsável por verificar o projeto em relação às regras definidas no software. É a última chance de detectar problemas de projeto antes do início do processo de fabricação.
Erros a evitar no layout de PCB
Existem muitos erros comuns que as pessoas cometem nas diretrizes de design de PCB. No entanto, se você evitar esses erros, terá muito mais chances de criar um layout que siga os padrões da indústria, seja fácil de montar e tenha uma baixa chance de falha. Vamos dar uma olhada nos erros mais comuns que as pessoas cometem ao projetar um layout de PCB.
– Traços cruzados – Um dos maiores erros que as pessoas cometem ao projetar um layout de PCB é cruzar traços. Você deve evitar isso a todo custo. Se você criar um traço que cruze outro traço, isso causará um curto-circuito.
– Traços extra longos – Você também deve evitar criar traços muito mais longos do que o necessário. Isso tornará seu layout menos eficiente e pode causar problemas se o traço for muito longo.
– Traços curtos e distribuídos – Outro erro que as pessoas cometem é criar um grande número de traços curtos conectados entre si de forma a criar uma "ilha". Isso é ineficiente e pode causar problemas.
– Falta de posicionamento do aterramento – Você também deve se certificar de que o posicionamento do aterramento esteja adequado em seu projeto. Isso inclui garantir que todas as redes estejam conectadas ao plano de aterramento.
– Ter muitos planos de alimentação – Outro erro comum é criar muitos planos de alimentação. Isso é particularmente comum em projetos de ponta. No entanto, mais planos de alimentação aumentarão seu custo e complexidade.
Ferramentas para layout de PCB
Como você pode ver, criar um layout de PCB bem-sucedido é uma tarefa desafiadora. Você precisa levar em consideração muitos fatores diferentes e saber como resolver muitos tipos diferentes de problemas. Você também precisa de algumas ferramentas diferentes para ajudá-lo. Aqui estão algumas das mais importantes.
– Esquema – O esquema do seu circuito determina como será o layout da sua PCB. Se você errar no esquema, errará no layout da PCB. É preciso ter cuidado ao criar o esquema. Quanto mais complicado for o circuito, mais difícil será criar um esquema correto.
– Sistema CAD – Este é um processo para projetar placas de circuito impresso. O contorno de uma placa de circuito impresso é traçado de acordo com os requisitos. Vários símbolos são usados para representar diferentes componentes na placa. O contorno da placa é então convertido em um arquivo de manufatura assistida por computador (CAM). O software de design assistido por computador (CAD) usado para essa finalidade tem a capacidade de importar e exportar arquivos CAM.
Conclusão
Criar um layout eficaz para uma placa de circuito impresso é uma tarefa desafiadora e complicada. Se você não tomar cuidado, pode cometer muitos erros e perder muito tempo. No entanto, seguindo estas diretrizes de layout de PCB, você pode criar um projeto sólido. Um projeto fácil de montar e com baixa chance de falha.
Perguntas frequentes
- Adaptação de impedância das linhas de sinal;
- Isolamento espacial de outras linhas de sinal;
- Para sinais digitais de alta frequência, as linhas diferenciais funcionam melhor.
Não, os capacitores de desacoplamento precisam ser adicionados com valores apropriados em locais apropriados. E é necessário usar diferentes valores de capacitância para filtrar sinais espúrios de diferentes frequências.
As vias cegas podem aumentar a densidade das placas multicamadas, reduzir o número de camadas e o tamanho da placa e diminuir significativamente o número de orifícios metalizados.
No entanto, em comparação, os orifícios passantes são fáceis de implementar em termos de tecnologia e têm um custo mais baixo, por isso são geralmente utilizados nos projetos.
Os circuitos analógicos e os circuitos digitais devem ser colocados em áreas separadas para que não se influenciem mutuamente.
Ao projetar uma placa multicamadas, certifique-se de que não haja planos flutuantes de aterramento ou alimentação, pois os planos de alimentação e aterramento estão na camada interna.
Além disso, certifique-se de que as vias perfuradas no terra estejam realmente conectadas ao plano de terra, para que alguns pontos de teste possam ser adicionados para alguns sinais importantes, o que é conveniente para medição durante a depuração.
