Guia para técnicas de aterramento de PCB

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• O que é um terreno?
• Terminologia básica
• Técnicas de aterramento de PCB
• O que lembrar ao aterrar
• Certifique-se de que tudo esteja anexado
• Mantenha sua camada de solo inteira
• Minimize o uso de vias em série
• Tenha um ponto comum

O aterramento é um conceito crítico para qualquer circuito eletrônico e qualquer sistema que lide com uma corrente elétrica. Tudo, desde a rede elétrica até uma casa e uma placa de circuito impresso (PCB), tem um aterramento. PCBs são essenciais para o funcionamento de quase todos os eletrônicos, e cada PCB precisa de aterramento adequado para funcionar corretamente.

As pessoas usam o termo solo para descrever vários conceitos. Neste artigo, discutiremos esses conceitos, a importância do aterramento em uma PCB e os diferentes métodos que podem ser usados ​​para aterramento em uma PCB.

O que é um plano de terra PCB?

O plano de aterramento em uma placa de circuito impresso é um corpo condutor que atua como um nó arbitrário de tensão potencial e um retorno comum para a corrente elétrica. É um ponto de referência zero ou zero volts. O solo é a referência na qual você baseia o sinal.

Em eletrônica, o terra é o nome dado a um determinado ponto do circuito. Em um circuito com uma bateria com um terminal positivo e negativo, o terminal negativo é geralmente chamado de terra.

Alguns circuitos possuem conexões chamadas de positivo, negativo e terra. Nesses casos, o terra é o ponto médio entre os terminais negativo e positivo medidos em tensão. Se a tensão for nove, o plano de aterramento seria de 4,5 volts. Você, no entanto, chamaria o ponto zero, o terminal positivo de 4,5 volts e o terminal negativo de -4,5 volts. Você pode fazer isso porque a tensão é uma medida entre dois pontos, e ainda há uma diferença de nove entre 4,5 e -4,5.

O uso inadequado de técnicas de aterramento pode reduzir drasticamente o desempenho de um sistema. Você deve gerenciar vários aspectos do aterramento, incluindo o controle de voltagens espúrias de aterramento e retorno de sinal, que podem piorar o desempenho. Acoplamento de sinal externo, correntes comuns e outros problemas podem causar essas tensões. Rotear e dimensionar adequadamente os condutores, empregando tratamento de sinal diferencial e usando técnicas de isolamento de terra ajudam a controlar essas tensões indesejadas.

Há também considerações especiais ao trabalhar em um ambiente analógico e digital de sinal misto. O aterramento pode ajudar a minimizar o ruído ao trabalhar com sinais que possuem uma ampla faixa dinâmica.

Terminologia de aterramento

Existem vários tipos de nós que são chamados de terrenos, incluindo terrenos flutuantes, terrenos virtuais e terrenos terrestres.

• Terrenos flutuantes: Esses nós são pontos de referência em um sistema isolado e não estão fisicamente conectados à terra.
• Motivos virtuais: Esses nós podem ser encontrados em um circuito de realimentação negativa no terminal inversor de um amplificador operacional. Quando a entrada não inversora estiver em zero volt, o feedback fará com que o terminal inversor corresponda a um circuito estável. O valor não é um retorno estável para outros circuitos e é mantido apenas por feedback.
• Motivos do AC: Esses nós têm valores DC de baixa impedância. Esta tensão CC é estável mesmo quando exposta a pequenas perturbações. Por causa de seu valor DC, esse nó não pode ser usado como um aterramento adequado, mas por ser estável, pode ser usado como ponto de referência.
• Terra: Em um grande sistema elétrico, o aterramento da terra é literalmente uma conexão com o solo. Toda casa, por exemplo, tem um poste de cobre preso na terra para esgotar as correntes excedentes.
• Bases do chassi: Os componentes eletrônicos em uma PCB não podem se conectar ao terra físico, mas o terra do chassi serve ao mesmo propósito. Esse aterramento é a conexão de um fio de segurança da rede elétrica CA à caixa ou chassi do produto.

Como o aterramento e o aterramento do chassi têm a mesma função, esses termos são frequentemente usados ​​de forma intercambiável junto com o termo aterramento de segurança.

Quando se trata de aterrar um PCB, não existe uma abordagem única. Para determinar a melhor maneira de aterrar um sistema, você precisa entender como as correntes fluem dentro dele. No entanto, existem vários métodos para escolher e algumas dicas para as melhores práticas de aterramento que se aplicam à maioria dos sistemas. Para determinar a abordagem que funciona para o seu quadro, você precisa garantir que entende o design do quadro e pode precisar experimentar várias técnicas.

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Técnicas de aterramento de PCB

Existem várias técnicas que podem ser usadas para aterrar um PCB. A seguir estão algumas das abordagens mais comuns usadas hoje.

1. Plano Terrestre

Uma técnica comum é usar um plano de aterramento, que é um grande pedaço de cobre em um PCB. Normalmente, os fabricantes de PCB cobrem todas as áreas que não possuem um componente ou traço nelas com o plano de aterramento de cobre.

Em uma placa de duas camadas, as regras padrão do plano de aterramento do PCB indicam que o plano de aterramento deve ser colocado na camada inferior da placa, enquanto os componentes e os traços de sinal estão na camada superior.

É melhor evitar a criação de um anel de material condutor formado pelo plano de aterramento, pois isso torna o plano de aterramento mais suscetível à interferência eletromagnética (EMI). Este anel condutor atua como um indutor, e um campo magnético externo pode causar uma corrente elétrica chamada de loop de terra. Você pode acabar com um anel condutor se colocar o plano de aterramento sobre toda a camada inferior e, em seguida, remover as partes que possuem componentes eletrônicos. Para evitar esse problema, faça os traços o mais curtos possível e, depois de mapeá-los, coloque seu plano de terra de modo que ele fique totalmente abaixo deles. Pode ser necessário ajustar o layout de traços e componentes para evitar a criação de anéis condutores.

O plano de terra também está frequentemente em ambos os lados da placa. Em alguns casos, o plano do lado do componente é mantido na tensão de alimentação e o plano do outro lado da placa é aterrado. O plano de aterramento é conectado aos pinos de aterramento dos componentes e conectores para manter a tensão de aterramento no mesmo nível em toda a PCB.

Em um PCB de duas camadas, você também pode usar mais de um plano de aterramento. Cada plano deve se conectar à fonte de alimentação individualmente para manter os planos separados e evitar a ocorrência de loops de aterramento.

2. Vias do plano terrestre

Se houver planos de aterramento em ambos os lados do PCB, eles serão conectados através de vias em muitos lugares diferentes na placa. Essas vias são orifícios que passam pela placa e conectam os dois lados entre si. Eles permitem que você acesse o plano de terra de qualquer lugar que você possa encaixar em uma via.

O uso de vias pode ajudá-lo a evitar loops de terra. Eles conectam os componentes diretamente aos pontos de aterramento, que se conectam por meio de baixa impedância a todos os outros pontos de aterramento do circuito. Eles também ajudam a manter o comprimento dos loops de retorno curtos.

Pedaços de cobre, como planos de aterramento, podem ressoar em um quarto do comprimento de onda da frequência da corrente que está fluindo para ele. Colocar vias de costura ao redor do plano de terra em intervalos específicos pode ajudar a controlar isso. Uma regra prática é colocar vias de aterramento em um oitavo de um comprimento de onda ou menos. Isso funciona porque um stub em um traço só começa a se tornar um problema em um oitavo do comprimento de onda.

Para criar vias, você faz pequenos furos na placa e passa fios de cobre finos por eles antes de soldá-los em cada lado para formar as conexões necessárias.

3. Aterramento do conector

Todos os conectores em uma PCB devem ser conectados ao terra. Nos conectores, todas as condutas de sinal devem correr em paralelo. Por isso, você deve separar os conectores usando pinos de aterramento.

Cada placa provavelmente precisará de mais de um pino do conector que leva ao terra. Ter apenas um pino pode causar problemas de incompatibilidade de impedância, o que pode causar oscilações. Se a impedância de dois condutores conectados não corresponder, a corrente que flui entre eles pode oscilar para frente e para trás. Essas oscilações podem alterar o desempenho do sistema e fazer com que ele não funcione conforme o esperado. A resistência de contato de cada pino de um conector é baixa, mas pode aumentar com o tempo. Por esse motivo, é ideal usar vários pinos de aterramento. Aproximadamente 30 a 40 por cento dos pinos em um conector PCB devem ser pinos de aterramento.

Os conectores vêm em vários passos e podem ter diferentes números de fileiras de pinos. Os pinos de um conector também podem ser paralelos à superfície da PCB ou em ângulo reto com ela.

4. Desacoplamento

PCBs contêm um ou mais chips de circuito integrado, que requerem energia para operar. Esses chips possuem pinos de alimentação para conectá-los a uma fonte de alimentação externa. Eles também possuem pinos de aterramento, que os conectam ao plano de aterramento da PCB. Entre os pinos de alimentação e terra, há um capacitor de desacoplamento, que serve para suavizar as oscilações na tensão fornecida ao chip. A extremidade oposta do capacitor de desacoplamento se conecta ao plano de terra.

Uma das principais razões para o uso de capacitores de desacoplamento está relacionada à funcionalidade. Um capacitor de desacoplamento pode atuar como um dispositivo de armazenamento de carga. Quando o circuito integrado (CI) requer corrente adicional, o capacitor de desacoplamento pode fornecê-la através de um caminho de baixa indutância. Por isso, é melhor colocar capacitores de desacoplamento próximos aos pinos de alimentação do IC.

Outro objetivo principal é reduzir o ruído colocado nos pares de plano de alimentação e terra e reduzir a EMI. Dois problemas principais podem causar esse ruído. Um é um capacitor de desacoplamento que não fornece corrente adequada, resultando na redução temporária da tensão no pino de alimentação do IC. A outra é uma corrente intencional enviada entre os planos de potência e terra usando uma via com um sinal de comutação rápida.

Você deve escolher o posicionamento e o número de capacitores de desacoplamento para um projeto com base em suas duas funcionalidades. Muitas vezes, distribuir os capacitores por toda a placa é a melhor abordagem - tente colocar alguns perto do terra do IC e dos pinos de alimentação para usar. Usar o valor mais alto de capacitância também é recomendado, e é melhor manter todos os capacitores no mesmo valor. Você também pode usar uma combinação de alta resistência em série equivalente (ESR) e capacitores normais.

Regras de aterramento de PCB a serem lembradas

O aterramento é uma parte essencial de qualquer projeto de PCB. Todos os projetos de PCB devem seguir certas práticas de aterramento. Aqui estão várias dicas para lembrar ao aterrar.

1. Certifique-se de que tudo esteja anexado

Certifique-se de que nada em seu layout de PCB esteja desanexado. É aconselhável preencher qualquer espaço aberto com cobre e vias que se conectam à sua placa de aterramento. Ao fazer isso, você garante que haja um caminho estruturado que permita que todos os seus sinais cheguem ao solo com eficiência.

2. Mantenha sua camada de solo inteira

Se você tiver uma camada de solo dedicada, como muitas placas de quatro camadas, certifique-se de que não haja rastros de rota nela. Dividir sua camada de terra adicionando traços de rota cria um loop de corrente de terra. Em vez disso, certifique-se de que a camada do solo permaneça inteira.

3. Tenha um ponto comum

Cada PCB deve ter um único ponto onde todos os aterramentos se unem. Muitas vezes, esta é a estrutura metálica ou o chassi do produto. Também pode ser uma camada dedicada da placa. Este único ponto é muitas vezes referido como um terra de estrela porque os vários condutores se estendem a partir deste local em um padrão que lembra um pouco uma estrela. Em aplicações de sinais mistos, pode haver fontes de alimentação analógicas e digitais separadas que tenham aterramento analógico e digital separados que se encontram no ponto estrela.

4. Minimize o uso de vias em série

É melhor minimizar o número de vias ao longo de seus caminhos de aterramento e enviar os aterramentos dos componentes o mais diretamente possível para o plano de aterramento. Adicionar vias adicionais a uma placa cria mais impedância. Essa consideração é especialmente crucial para correntes transitórias rápidas que podem fazer com que um caminho de impedância se torne um diferencial de tensão.

5. Aterramento do projeto antes do roteamento

O terreno deve ser projetado antes de qualquer roteamento. O solo é a base para o processo de roteamento, por isso é crucial projetar o solo corretamente. Se um aterramento for mal projetado, todo o dispositivo estará em risco, embora isso não aconteça se um sinal não funcionar conforme o esperado.

6. Entenda como suas correntes estão fluindo

Entender para onde as correntes estão indo em uma placa pode ajudar a garantir o aterramento adequado. É essencial considerar para onde o sinal está indo, bem como o caminho de retorno que ele fará. O caminho de envio e retorno de um sinal tem a mesma corrente, e isso pode afetar o salto de terra e a estabilidade de energia.

7. Prepare-se para a variação dinâmica entre terrenos

Em um sistema de várias placas, ao enviar conexões de aterramento entre as placas, é importante planejar uma variação dinâmica. É especialmente crítico ao lidar com aplicativos que exigem cabos de longa distância. Isoladores ópticos, sinais diferenciais de baixa tensão e bobinas de modo comum podem ajudar a manter a variação sob controle.

8. Tenha em mente as considerações sobre sinais mistos

Ao lidar com sinais analógicos e digitais juntos, você precisa ter cuidado em seu planejamento. As partes analógicas da placa devem ser mantidas isoladas, incluindo conversores analógico-digital (ADCs) e conversores digital-analógico. Você pode ligar o aterramento de um ADC de volta a um ponto de aterramento comum onde você pode passar sinais digitais para outras seções do PCB.

Parceria com a Millennium Circuits Limited para suas necessidades de PCB

O aterramento adequado é uma consideração crucial para todos os PCBs. Muitas vezes há confusão em torno deste conceito, e a implementação pode ser difícil. Garantir que você entenda o fluxo de corrente em seu projeto e empregar algumas das práticas e técnicas descritas neste artigo pode ajudar.

A parceria com um fornecedor de PCB experiente como a Millennium Circuits também pode ajudar. Podemos ajudar a garantir que você receba PCBs que usem as técnicas de aterramento adequadas para suas aplicações. Contacte-nos para qualquer questão ou para obter ajuda para encontrar os PCBs perfeitos para o seu próximo projeto. Solicite um orçamento rápido para começar hoje.

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