Um guia para layout de PCB essencial para cada designer

Não é incomum que engenheiros priorizem circuitos, componentes avançados e códigos em projetos eletrônicos, enquanto o layout do PCB — um elemento crucial — às vezes é negligenciado. O layout inadequado do PCB pode resultar em problemas funcionais e de confiabilidade. Este artigo oferece conselhos práticos para garantir o funcionamento e a confiabilidade ideais dos seus projetos de PCB.

Dimensionamento de traços

Os traços de cobre têm uma resistência natural que pode causar quedas de tensão, dissipação de energia e aumento de temperatura quando a corrente flui por eles. Os projetistas de PCB abordam esse problema fazendo ajustes no comprimento, espessura e largura dos traços. Dado que as propriedades físicas do cobre são fixas, é essencial otimizar o tamanho do traço para controlar efetivamente a resistência.

A espessura do traço de PCB é medida em onças de cobre. Como exemplo, uma onça de cobre é equivalente a uma espessura de 1,4 milésimos de polegada, assumindo uma distribuição uniforme em uma área de um pé quadrado. Enquanto muitos designers utilizam 1 oz ou 2 oz de cobre, alguns fabricantes de PCB podem fornecer até 6 oz de espessura. É importante observar que a produção de recursos finos, como pinos espaçados próximos, pode ser desafiadora com cobre mais espesso. É aconselhável consultar seu fabricante de PCB para entender suas capacidades.

Para determinar a espessura e a largura ideais para seus traços, recomendamos usar uma calculadora de largura de traço de PCB com base em sua aplicação específica. O objetivo é atingir um aumento de temperatura de aproximadamente 5°C. Se houver espaço suficiente na placa, é recomendável optar por traços mais largos, pois são econômicos. Deve-se observar que, para placas multicamadas, os traços em camadas externas têm resfriamento superior em comparação com aqueles em camadas internas. Isso se deve ao fato de que o calor das camadas internas deve passar por várias camadas de cobre e material de PCB antes de ser dissipado ou conduzido para longe.

Mantenha os Loops Pequenos

É aconselhável manter os loops, particularmente em altas frequências, o mais compacto possível. A redução no tamanho do loop resulta em uma diminuição tanto na indutância quanto na resistência. A colocação dos loops sobre um plano de aterramento serve para minimizar ainda mais a indutância, o que por sua vez ajuda a diminuir a tensão de alta frequência. Além disso, os loops compactos minimizam o acoplamento indutivo de fontes externas e a transmissão do nó, o que é vantajoso na maioria dos casos, exceto ao projetar uma antena. É de suma importância manter pequenos loops em circuitos op-amp para evitar que o ruído seja acoplado ao circuito.

Colocando capacitores de desacoplamento

É recomendado posicionar os capacitores de desacoplamento o mais próximo possível dos pinos de energia e terra dos circuitos integrados para otimizar o desempenho do desacoplamento. Posicionar os componentes a uma distância maior pode resultar na introdução de indutância parasita.

Conexões Kelvin

O sensoriamento de quatro terminais, também conhecido como sensor Kelvin, leva o nome de William Thomson, Lord Kelvin, que desenvolveu a ponte Kelvin em 1861 para a medição precisa de resistências muito baixas. Neste método, cada par de fios é chamado de conexão Kelvin.

As conexões Kelvin são essenciais para medições precisas, pois são colocadas em pontos exatos para minimizar a resistência parasita e a indutância. Por exemplo, ao medir um resistor de detecção de corrente, é essencial posicionar as conexões diretamente nas almofadas do resistor, em vez de em pontos arbitrários nos traços. Embora o esquema possa parecer semelhante, independentemente de as conexões serem feitas nas almofadas ou em outro lugar, é importante observar que os traços reais têm indutância e resistência que podem afetar a precisão da medição se as conexões Kelvin não forem usadas.

Separe os traços digitais e ruidosos dos traços analógicos

É importante notar que traços ou condutores paralelos têm o potencial de criar capacitância, o que pode resultar em acoplamento capacitivo entre sinais, particularmente em altas frequências. Para evitar quaisquer problemas potenciais com ruído indesejado, é essencial manter uma separação clara entre traços de alta frequência e ruidosos e aqueles que são sensíveis.

O chão não é chão

É importante notar que o aterramento não é um condutor perfeito. Como resultado, é crucial rotear aterramentos ruidosos para longe de sinais sensíveis, a fim de manter a qualidade ideal do sinal. É essencial garantir que os traços de aterramento sejam suficientemente largos para acomodar o fluxo de corrente previsto. Posicionar um plano de aterramento diretamente abaixo dos traços de sinal é um método eficaz para reduzir a impedância, o que é benéfico para manter a integridade do sinal.

Via Tamanho e Quantidade

Vias contribuem para a indutância e resistência geral de um circuito. Em casos onde um traço deve ser roteado através de uma placa de circuito impresso (PCB) e baixa indutância ou resistência é necessária, é aconselhável considerar a utilização de múltiplas vias. Vias maiores reduzem a resistência, tornando-as um recurso inestimável para capacitores de filtro de aterramento e nós de alta corrente.

Usando o PCB como dissipador de calor

É recomendado que cobre adicional seja adicionado ao redor dos componentes de montagem de superfície para aumentar a área de superfície para dissipação de calor mais eficiente. É prática comum para folhas de dados de componentes, particularmente aquelas pertencentes a diodos de potência, MOSFETs ou reguladores de tensão, fornecer diretrizes para a utilização da área de superfície do PCB como um dissipador de calor.

Vias Térmicas

Vias facilitam a transferência de calor de um lado de um PCB para o outro, o que é vantajoso quando o PCB é montado em um dissipador de calor ou chassi para dissipação de calor aprimorada. É mais eficaz usar vias maiores para transferência de calor do que menores. Além disso, usar várias vias é geralmente mais eficiente do que depender de uma única via. Isso resulta em uma redução na temperatura operacional dos componentes, o que, por sua vez, aumenta sua confiabilidade.

Alívio térmico

Alívio térmico é uma técnica de soldagem que utiliza pequenas conexões entre um traço ou preenchimento e um pino de componente para agilizar o processo de soldagem. Essas conexões são mantidas curtas para minimizar a resistência elétrica, o que é benéfico do ponto de vista da engenharia. Sem alívio térmico, embora os componentes possam obter melhor dissipação térmica devido a uma conexão mais direta com traços ou preenchimentos de dissipação de calor, soldar e dessoldar o componente pode se tornar mais desafiador.

Espaçamento entre traços e furos de montagem

É importante manter o espaçamento apropriado entre os traços ou preenchimentos de cobre e os furos de montagem para reduzir o risco de choques. É importante observar que a máscara de solda não fornece isolamento confiável. Portanto, é essencial garantir que haja distância suficiente entre as áreas de cobre e o hardware de montagem.

Componentes sensíveis ao calor

É importante garantir que os componentes sensíveis ao calor sejam mantidos separados daqueles que geram calor. Exemplos de componentes sensíveis ao calor incluem termopares e capacitores eletrolíticos. É importante observar que posicionar termopares perto de fontes de calor pode levar a leituras de temperatura imprecisas, enquanto colocar capacitores eletrolíticos perto de componentes geradores de calor pode ter um impacto prejudicial em sua vida útil. Os componentes geradores de calor incluem retificadores de ponte, diodos, MOSFETs, indutores e resistores. A quantidade de calor produzida por esses componentes depende da corrente que flui através deles.

Conclusão

Este artigo apresentou dicas essenciais de layout de PCB que podem melhorar significativamente a funcionalidade e a confiabilidade do seu design. Certifique-se de que esses princípios sejam aplicados em seu trabalho.