No desenvolvimento da eletrónica, a conceção da disposição da placa de circuito impresso é a ponte crítica entre a teoria do circuito e a implementação física. Um excelente Conceção de PCB não só assegura a funcionalidade adequada do circuito, como também melhora a fiabilidade do produto, reduz os custos de produção e simplifica a manutenção futura. Este artigo analisa o processo completo de conceção da disposição de PCB, desde a conceção esquemática inicial até à inspeção final, com orientações detalhadas e sugestões práticas para cada fase.
1. Preparação do pré-layout
Desenho esquemático: A planta do projeto de circuitos
O desenho esquemático é a base da disposição da placa de circuito impresso - semelhante à planta de um arquiteto. As principais considerações nesta fase incluem:
- Precisão do símbolo do componente: Assegurar que cada símbolo corresponde à sua pegada física.
- Ligações de rede corretas: Verificar cuidadosamente todas as ligações eléctricas para evitar aberturas ou curtos-circuitos.
- Hierarquia clara: Os circuitos complexos devem ser modularizados, com blocos funcionais desenhados separadamente.
Erro comum: Muitos principiantes apressam-se a fazer o layout sem verificar cuidadosamente os esquemas, o que leva a problemas difíceis de localizar mais tarde. Verifique sempre os esquemas pelo menos duas vezes antes de prosseguir.
Gestão de bases de dados de componentes: Os pormenores são importantes
Uma biblioteca de componentes bem organizada é uma marca registada do design profissional de PCB:
- Dados da pegada ecológica: Inclui dimensões, formas de almofada e espaçamento.
- Modelos 3D: Ajudar nos controlos de ajuste mecânico.
- Parâmetros-chave: Tensão nominal, corrente, potência, etc.
- Informações sobre o fornecedor: Números MPN e canais de abastecimento.
Dica profissional: Manter uma biblioteca unificada em toda a empresa e actualizá-la regularmente para melhorar a eficiência e a coerência do design.
2. Fase de disposição da placa de circuito impresso
Preparação do projeto e planeamento do bloco
Antes de colocar os componentes, assegurar uma preparação adequada:
- Definir o esboço do quadro: Considere o espaço de montagem, os orifícios de fixação e as localizações dos conectores.
- Desenho de empilhamento: Determinar a contagem de camadas e materiais com base nas necessidades de integridade do sinal.
- Partição de blocos funcionais: Agrupar os componentes por função do circuito e planear o fluxo de sinais.
Partilha de experiências: Fazer primeiro um esboço no papel - marcando a colocação dos componentes críticos e os caminhos dos sinais - revela-se muitas vezes mais eficiente do que passar diretamente para o software CAD.
Definições de grelha: A chave para um layout eficiente
As configurações de rede inteligente melhoram a qualidade e a velocidade da apresentação:
- Componentes grandes: Grelha de 50-100 mil (ICs, conectores).
- Pequenos passivosRede de 25 mil (resistências, condensadores).
- Afinação: Grelha de 5-10 mil (ajustes finais).
Aviso: A alteração frequente das definições da grelha perturba o alinhamento dos componentes. Disposição por tipo de componente em fases.
Regras e técnicas de colocação de componentes
Princípios gerais de colocação
- Prioridade unilateral: Colocar todos os componentes numa só camada, exceto se a densidade exigir outra coisa.
- Alinhamento e orientação: Dispor os componentes ortogonalmente para uma boa arrumação.
- Controlo do espaçamento: Mínimo de 1 mm entre componentes, 2 mm a partir dos bordos da placa.
- Gestão térmica: Distribuir as peças geradoras de calor longe de dispositivos sensíveis à temperatura.
Estudo de caso: Num projeto de módulo de potência, o alinhamento de componentes de alta corrente reduziu linearmente os comprimentos de traço e melhorou o arrefecimento, baixando as temperaturas em 15%.
Colocação de componentes críticos
- Peças de alta-frequência: Minimizar os comprimentos de interligação para reduzir os efeitos parasitas.
- Componentes de alta tensão: Aumentar as folgas, ter em conta os requisitos de creepage/folga.
- Peças pesadas: Utilizar suportes para suportar os esforços mecânicos.
- Componentes ajustáveis: Posição para um acesso ergonómico.
Lição aprendida: Uma vez, um potenciómetro mal colocado obrigou a uma nova conceção da caixa, atrasando o lançamento do produto.
3. Estratégias de encaminhamento e aplicações de regras
Sequência de prioridades de encaminhamento
- Sinais críticos em primeiro lugar: Relógios, linhas de alta velocidade e sinais analógicos.
- Redes eléctricas: Ter em conta a capacidade de corrente e a queda de tensão.
- Sinais gerais: Encaminhar as ligações não críticas em último lugar.
Conselhos de especialistas: Dedicar camadas a sinais críticos para evitar o acoplamento de ruído.
Dicas e armadilhas de roteamento
- Curvas de 90°: Evitar - utilizar antes traços de 45° ou curvos.
- Pares diferenciais: Manter o mesmo comprimento/espaçamento com encaminhamento simétrico.
- Serpentinas: Utilizar para a correspondência de comprimentos, mas cuidado com os parasitas adicionais.
- Vias: Minimizar as contagens nos caminhos críticos.
Dados de ensaio: Cada via em linhas de alta velocidade pode introduzir um atraso de 0,3-0,5 ps, significativo em frequências de GHz.
4. Verificação e validação finais
Lista de verificação do layout
- Controlos dimensionais: Fazer corresponder os desenhos mecânicos.
- Integralidade dos componentes: Não faltam peças.
- Revisão de apuramento: Espaçamento entre componentes/traços/bordas.
- Análise térmica: Distribuição da fonte de calor.
- Facilidade de manutenção: Acesso fácil às peças sujeitas a desgaste.
Sugestão de GQ: Normalizar as fichas de inspeção para garantir revisões sistemáticas.
Áreas de incidência da revisão da conceção
- Desempenho elétrico: Análise da integridade do sinal/potência.
- Capacidade de fabrico: Compatibilidade do processo de fabrico de PCB.
- Testabilidade: Pontos de ensaio adequados.
- Controlo dos custos: Utilização óptima dos painéis.
Sugestão de trabalho em equipa: Envolver as equipas de fabrico e de teste nas revisões para detetar precocemente problemas interdepartamentais.
5. FAQ sobre a conceção de PCB
Q1: Porque é que as minhas placas de circuito impresso requerem sempre vários protótipos?
R: Normalmente devido a uma verificação inicial insuficiente. Correcções recomendadas:
- Aplicar procedimentos rigorosos de revisão esquemática.
- Simular circuitos críticos antes da projeção.
- Verificar virtualmente os modelos de montagem 3D.
- Consultar antecipadamente os fabricantes de PCB sobre as suas capacidades.
P2: Como corrigir problemas de integridade do sinal de alta velocidade?
R: Considerações fundamentais:
- Impedância de controlo através de larguras de traço calculadas/stack-ups.
- Manter os caminhos críticos curtos.
- Manter planos de referência ininterruptos - evitar divisões.
- Utilize resistências de terminação quando necessário para amortecer as reflexões.
Q3: Alguma dica para layouts de PCB compactos?
R: Estratégias de alta densidade:
- Preferir componentes 0402 ou mais pequenos.
- Utilizar placas multicamadas com encaminhamento vertical.
- Utilizar judiciosamente vias cegas/enterradas.
- Colaborar estreitamente com os engenheiros mecânicos no planeamento do espaço.
Q4: Como minimizar os problemas de EMI?
R: Contra-medidas eficazes:
- Mantenha os sinais sensíveis a uma distância ≥5 mm dos bordos da placa.
- Fornecer planos de terra sólidos sob os traços de alta velocidade.
- Adicionar filtros nas interfaces.
- Evite cantos afiados e mudanças bruscas de largura.
Q5: Erros comuns na apresentação da energia?
A: Erros típicos de fornecimento de energia:
- Tampas de desacoplamento colocadas a >3mm dos CIs.
- Os traços de alimentação subdimensionados estão a causar uma queda excessiva de IR.
- Negligenciar as actuais vias de retorno.
- Desconsideração dos efeitos de redução térmica.
Leitura recomendada
- O que é um desenho de PCB
- Como conceber uma placa PCB
- Como melhorar o desempenho e a fiabilidade das placas de circuito impresso