Princípio de funcionamento das placas de circuito impresso
A principal função de uma placa de circuitos é facilitar a transmissão e a distribuição de sinais eléctricos, fornecendo sinais de potência e de controlo a vários componentes electrónicos. O seu princípio de funcionamento pode ser resumido da seguinte forma: Traços condutores de cobre e diferentes percursos de circuito interligam componentes electrónicos, permitindo o fluxo de corrente e a transmissão de sinais.
Por exemplo, numa placa-mãe de um computador, a placa de circuitos não só liga componentes-chave como a CPU, a memória e a placa gráfica, como também fornece energia através de circuitos de alimentação e coordena o seu funcionamento através de sinais de controlo. A estabilidade e a fiabilidade da placa de circuitos têm um impacto direto no desempenho global do dispositivo eletrónico.
1. Fundamentos da estrutura física
- Material do substrato: Normalmente feito de materiais isolantes como a fibra de vidro (FR4) ou substratos flexíveis (por exemplo, poliimida), proporcionando suporte mecânico e isolamento elétrico.
- Camada condutora: Os traços de cobre gravados formam uma cablagem precisa para estabelecer ligações eléctricas entre os componentes.
- Conceção multicamada: Os circuitos complexos utilizam camadas empilhadas (por exemplo, placas de 4/6/8 camadas) com vias para ligações entre camadas, optimizando a integridade do sinal e a eficiência do espaço.
2. Mecanismos de transmissão de sinais e correntes
- Transmissão de sinais: Os sinais de alta frequência são encaminhados utilizando designs de microstrip ou stripline para controlar a impedância e minimizar reflexões e diafonia (por exemplo, os pares diferenciais USB 3.0 requerem uma correspondência de impedância de 90Ω).
- Distribuição de energia: Os planos de potência reduzem a impedância, enquanto os condensadores de desacoplamento suprimem o ruído de alta frequência para garantir uma tensão estável.
- Sistema de ligação à terra: Os planos de terra dedicados em placas multicamadas fornecem caminhos de retorno de baixa impedância, evitando problemas de ressalto de terra.
3. Módulos funcionais típicos
- Circuitos digitais: O encaminhamento do barramento CPU-memória requer uma correspondência de comprimento para cumprir as restrições de tempo.
- Circuitos Analógicos: As trajectórias do sinal de áudio devem ser isoladas das fontes de alimentação comutadas para evitar EMI.
- Sistemas de sinal misto: Os ADCs/DACs utilizam frequentemente uma ligação à terra em estrela para separar as ligações à terra analógicas e digitais.
4. Fluxo de trabalho colaborativo (por exemplo, placa-mãe de computador)
- Fase de potência: O conetor de alimentação ATX de 24 pinos converte as tensões através de reguladores DC-DC (por exemplo, 12V→1,2V para o núcleo da CPU).
- Processamento de sinais: O Northbridge (ou SoC moderno) comunica com as GPUs através de pistas PCIe a 8 GT/s.
- Sincronização do relógio: Os osciladores de cristal geram relógios de referência, multiplicados por PLLs para distribuição no subsistema.
5. Factores-chave de desempenho
- Propriedades do material: Os circuitos de alta frequência utilizam dieléctricos de baixa perda (por exemplo, Rogers RO4003C).
- Regras de apresentação: Os sinais sensíveis seguem a regra 3W (espaçamento ≥3× largura do traço) para reduzir a diafonia.
- Gestão térmica: Os traços de alta corrente cumprem as normas de ampacidade IPC-2152, com vias térmicas para dissipação de calor.
6. Modos de falha e fiabilidade
- Circuitos abertos/em curto: Causada por electromigração ou tensão mecânica.
- Problemas de integridade do sinal: As incompatibilidades de impedância conduzem a zumbidos ou ao colapso do diagrama de olho.
- Durabilidade ambiental: Validado através de HALT (Highly Accelerated Life Testing) para resistência térmica/humidade.
Moderno Conceção de PCB depende de ferramentas EDA (por exemplo, Cadence Allegro) para simulações de integridade de sinal (SI), integridade de potência (PI) e EMC, garantindo uma tradução exacta dos esquemas para as placas físicas. Avanços como HDI (High-Density Interconnect) e passivos incorporados continuam a conduzir a eletrónica para um maior desempenho e miniaturização.