Um guia para layout de PCB essencial para todo designer

Não é incomum que engenheiros priorizem circuitos, componentes avançados e códigos em projetos eletrônicos, enquanto o layout da placa de circuito impresso (PCB) — um elemento crucial — às vezes é negligenciado. Um layout inadequado da placa de circuito impresso pode resultar em problemas de funcionalidade e confiabilidade. Este artigo oferece dicas práticas para garantir o funcionamento e a confiabilidade ideais dos seus projetos de PCB.

Dimensionamento de traços

Os traços de cobre possuem 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 PCBs resolvem esse problema ajustando o comprimento, a espessura e a largura dos traços. Dado que as propriedades físicas do cobre são fixas, é essencial otimizar o tamanho dos traços para controlar a resistência de forma eficaz.

A espessura dos traços de PCB é medida em onças de cobre. Por exemplo, uma onça de cobre equivale a uma espessura de 1,4 milésimo de polegada, considerando uma distribuição uniforme em uma área de um metro quadrado. Embora muitos projetistas utilizem cobre de 1 onça ou 2 onças, alguns fabricantes de PCB podem fornecer espessuras de até 6 onças. É importante observar que a produção de detalhes finos, como pinos muito próximos, pode ser desafiadora com cobre mais espesso. É aconselhável consultar o fabricante de PCB para entender suas capacidades.

Para determinar a espessura e a largura ideais para suas trilhas, recomendamos o uso de uma calculadora de largura de trilhas de PCB baseada em sua aplicação específica. O objetivo é atingir um aumento de temperatura de aproximadamente 5 °C. Se houver espaço suficiente na placa, recomenda-se optar por trilhas mais largas, pois são mais econômicas. Vale ressaltar que, para placas multicamadas, as trilhas nas camadas externas apresentam resfriamento superior em comparação às nas camadas internas. Isso se deve ao fato de que o calor das camadas internas precisa passar por múltiplas camadas de cobre e material de PCB antes de ser dissipado ou conduzido.

Mantenha os Loops Pequenos

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

Colocando capacitores de desacoplamento

Recomenda-se posicionar os capacitores de desacoplamento o mais próximo possível dos pinos de alimentação e aterramento 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

A detecção de quatro terminais, também conhecida como detecção 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 bases do resistor, em vez de em pontos arbitrários nas trilhas. Embora o esquema possa parecer semelhante, independentemente de as conexões serem feitas nas bases ou em outro lugar, é importante observar que as trilhas reais têm indutância e resistência que podem afetar a precisão da medição se as conexões Kelvin não forem utilizadas.

Separe os traços digitais e ruidosos dos traços analógicos

É importante observar que trilhas ou condutores paralelos têm o potencial de criar capacitância, o que pode resultar em acoplamento capacitivo entre sinais, especialmente em altas frequências. Para evitar possíveis problemas com ruído indesejado, é essencial manter uma separação clara entre trilhas de alta frequência e ruidosas e aquelas que são sensíveis.

O chão não é chão

É importante observar que o aterramento não é um condutor perfeito. Consequentemente, é crucial direcionar os aterramentos ruidosos para longe de sinais sensíveis, a fim de manter a qualidade ideal do sinal. É essencial garantir que as trilhas de aterramento sejam suficientemente largas para acomodar o fluxo de corrente previsto. Posicionar um plano de aterramento diretamente abaixo das trilhas de sinal é um método eficaz para reduzir a impedância, o que é benéfico para manter a integridade do sinal.

Via Tamanho e Quantidade

As vias contribuem para a indutância e a resistência gerais de um circuito. Em casos em que uma trilha precisa ser roteada 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 o aterramento de capacitores de filtro e nós de alta corrente.

Usando o PCB como dissipador de calor

Recomenda-se a adição de cobre adicional ao redor dos componentes de montagem em superfície para aumentar a área de superfície e, assim, uma dissipação de calor mais eficiente. É prática comum que folhas de dados de componentes, especialmente aquelas referentes a diodos de potência, MOSFETs ou reguladores de tensão, forneçam diretrizes para a utilização da área de superfície da PCB como dissipador de calor.

Vias Térmicas

Vias facilitam a transferência de calor de um lado para o outro da PCB, o que é vantajoso quando a PCB é montada em um dissipador de calor ou chassi para melhor dissipação de calor. É mais eficaz usar vias maiores para transferência de calor do que menores. Além disso, usar múltiplas vias geralmente é mais eficiente do que depender de uma única. Isso resulta em uma redução na temperatura de operação 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 do 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 dissipadores de calor, soldar e dessoldar o componente pode se tornar mais desafiador.

Espaçamento entre traços e furos de montagem

É importante manter o espaçamento adequado entre as trilhas 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 posicionar capacitores eletrolíticos perto de componentes geradores de calor pode ter um impacto negativo em sua vida útil. 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 aprimorar significativamente a funcionalidade e a confiabilidade do seu projeto. Certifique-se de aplicar esses princípios ao seu trabalho.