Dominando Aterramento em PCB: Técnicas Essenciais para Design de Circuito Confiável

Navegação Rápida:

• O que é um Terra?
• Terminologia de Aterramento
• Técnicas de Aterramento de PCB
• O Que Lembrar ao Aterrar
• Garanta Que Tudo Está Conectado
• Mantenha Sua Camada de Terra Inteira
• Minimize o Uso de Vias em Série
• Tenha um Ponto de Terra Comum

O aterramento é um conceito crítico para qualquer circuito eletrônico e qualquer sistema lidando com uma corrente elétrica. Tudo, desde a rede elétrica até uma casa até uma placa de circuito impresso (PCB), tem um terra. PCBs são críticos para o funcionamento de quase toda a eletrônica, e cada PCB precisa de aterramento adequado para funcionar corretamente.

As pessoas usam o termo terra para descrever vários conceitos. Neste artigo, discutiremos estes conceitos, a importância do terra em um PCB e os diferentes métodos que se pode usar para aterramento em um PCB.

O que é um Plano de Terra de PCB?

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

Em eletrônica, o terra é o nome dado a um certo ponto no circuito. Em um circuito com uma bateria com terminais positivo e negativo, o terminal negativo é geralmente chamado de terra.

Alguns circuitos têm conexões chamadas positivo, negativo e terra. Nestes casos, o terra é o ponto médio entre os terminais negativo e positivo medido em tensão. Se a tensão é nove, o plano de terra seria 4,5 volts. Você, no entanto, chamaria o terra de 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 medição entre dois pontos, e ainda há uma diferença de nove entre 4,5 e -4,5.

Uso impróprio de técnicas de aterramento pode reduzir dramaticamente o desempenho de um sistema. Você deve gerenciar vários aspectos do aterramento incluindo controlar tensões de retorno de sinal e terra espúrias, que podem piorar o desempenho. Acoplamento de sinal externo, correntes comuns e outros problemas podem causar estas tensões. Roteamento e dimensionamento adequados de condutores, emprego de manipulação de sinal diferencial e uso de técnicas de isolamento de terra ajudam a controlar estas tensões indesejadas.

Existem também considerações especiais quando se trabalha em um ambiente misto analógico e digital. O aterramento pode ajudar a minimizar ruído ao trabalhar com sinais que têm uma ampla faixa dinâmica.

Terminologia de Aterramento

Existem vários tipos de nós que são chamados de terra incluindo terras flutuantes, terras virtuais e terras de terra (earth grounds).

• Terras flutuantes: Estes nós são pontos de referência em um sistema isolado e não estão fisicamente conectados à terra.
• Terras virtuais: Estes nós podem ser encontrados em um circuito de feedback negativo no terminal inversor de um amplificador operacional. Quando a entrada não inversora está em zero volts, o feedback fará o terminal inversor corresponder a ele em um circuito estável. O valor não é um retorno estável para outros circuitos e é mantido apenas por feedback.
• Terras AC: Estes nós têm valores DC de baixa impedância. Esta tensão DC é estável mesmo quando exposta a pequenas perturbações. Por causa de seu valor DC, este nó não pode ser usado como um terra adequado, mas porque é estável, pode ser usado como um ponto de referência.
• Terras de terra (Earth grounds): Em um grande sistema elétrico, o terra da terra é literalmente uma conexão com o solo. Toda casa, por exemplo, tem um poste de cobre que é enfiado na terra para drenar correntes excedentes.
• Terras de chassi: A eletrônica em um PCB não pode se conectar ao solo físico, mas um terra de chassi serve o mesmo propósito. Este terra é a conexão de um fio de segurança da rede AC ao caso ou chassi do produto.

Como um terra de terra e terra de chassi servem a mesma função, estes termos são frequentemente usados intercambiavelmente junto com o termo terra de segurança.

Quando se trata de aterrar um PCB, não existe uma abordagem única para todos. Para determinar a melhor maneira de aterrar um sistema, você precisa entender a maneira como as correntes dentro dele fluem. Existem, no entanto, vários métodos para escolher e algumas dicas para melhores práticas de aterramento que se aplicam à maioria dos sistemas. Para determinar a abordagem que funciona para sua placa, você precisará garantir que entende o design da placa e pode precisar tentar várias técnicas.

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Técnicas de Aterramento de PCB

Existem várias técnicas que se pode usar para aterrar um PCB. As seguintes são algumas das abordagens mais comuns usadas hoje.

1. Plano de Terra

Uma técnica comum é usar um plano de terra, que é uma grande peça de cobre em um PCB. Tipicamente, fabricantes de PCB cobrirão todas as áreas que não têm um componente ou trilha nelas com o plano de terra de cobre.

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

É melhor evitar criar um anel de material condutor formado pelo plano de terra, pois isso torna o plano de terra mais suscetível a interferência eletromagnética (EMI). Este anel condutor age 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 terra sobre toda a camada inferior e então remover as partes que têm componentes eletrônicos. Para evitar este problema, faça trilhas o mais curtas possível, e após mapeá-las, coloque seu plano de terra para que ele corra inteiramente por baixo delas. Você pode precisar ajustar o layout de trilhas e componentes para evitar ter que criar anéis condutores.

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

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

2. Vias de Plano de Terra

Se há planos de terra em ambos os lados do PCB, eles serão conectados através de vias em muitos lugares diferentes na placa. Estas vias são furos que passam através da placa e conectam os dois lados um ao outro. Elas permitem que você acesse o plano de terra de qualquer lugar onde você possa encaixar uma via.

Usar vias pode ajudar você a evitar loops de terra. Elas conectam os componentes diretamente aos pontos de terra, que se conectam através de baixa impedância a todos os outros pontos de terra do circuito. Elas também ajudam a manter o comprimento de loops de retorno curtos.

Pedacos de cobre, como planos de terra, 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 terra em um oitavo de um comprimento de onda ou menos. Isso funciona porque um stub em uma trilha só começa a se tornar um problema em um oitavo de um comprimento de onda.

Para criar vias, você perfura pequenos furos através da placa e passa finos fios de cobre através deles antes de soldá-los em cada lado para formar as conexões necessárias.

3. Terras de Conector

Todos os conectores em um PCB devem ser conectados ao terra. Em conectores, todos os condutores de sinal devem correr em paralelo. Por causa disso, você deve separar conectores usando pinos de terra.

Cada placa provavelmente precisará de mais de um pino de conector levando ao terra. Ter apenas um pino pode causar problemas com desajuste de impedância, que pode causar oscilações. Se a impedância de dois condutores conectados não corresponder, a corrente fluindo entre eles pode ricochetear para frente e para trás. Estas oscilações podem alterar o desempenho do sistema e fazer com que não funcione como pretendido. A resistência de contato de cada pino de um conector é baixa, mas pode subir com o tempo. Por esta razão, é ideal usar múltiplos pinos de terra. Aproximadamente 30 a 40 por cento dos pinos em um conector de PCB devem ser pinos de terra.

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 do PCB ou em um ângulo reto a ele.

4. Desacoplamento

PCBs contêm um ou mais chips de circuito integrado, que requerem energia para operar. Estes chips têm pinos de alimentação para conectá-los a uma fonte de energia externa. Eles também têm pinos de terra, que os conectam ao plano de terra do PCB. Entre os pinos de alimentação e terra, há um capacitor de desacoplamento, que serve para suavizar oscilações na tensão sendo fornecida ao chip. A extremidade oposta do capacitor de desacoplamento 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 causa disso, é melhor colocar capacitores de desacoplamento perto dos pinos de energia do CI.

Outro propósito primário é reduzir o ruído colocado nos pares de planos de energia e terra e reduzir EMI. Dois problemas principais podem causar este ruído. Um é um capacitor de desacoplamento que não fornece corrente adequada resultando no abaixamento temporário da tensão no pino de energia do CI. O outro é uma corrente intencional enviada entre os planos de energia e terra usando uma via com um sinal de comutação rápida.

Você deve escolher o posicionamento e número de capacitores de desacoplamento para um design baseado em suas duas funcionalidades. Frequentemente, distribuir os capacitores por toda a placa é a melhor abordagem — tente colocar alguns perto dos pinos de terra e energia do CI 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 querer usar uma combinação de capacitores de alta resistência série equivalente (ESR) e normais.

Regras de Aterramento de PCB para Lembrar

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

1. Garanta Que Tudo Está Conectado

Certifique-se de que nada em seu layout de PCB está desanexado. É aconselhável preencher qualquer espaço aberto com cobre e vias que se conectam à sua placa de terra. Ao fazer isso, você garante que há um caminho estruturado que permite que todos os seus sinais cheguem ao terra eficientemente.

2. Mantenha Sua Camada de Terra Inteira

Se você tem uma camada de terra dedicada, como muitas placas de quatro camadas têm, garanta que não há trilhas de roteamento nela. Dividir sua camada de terra adicionando trilhas de roteamento cria um loop de corrente de terra. Em vez disso, garanta que a camada de terra permaneça inteira.

3. Tenha um Ponto de Terra Comum

Todo PCB deve ter um único ponto onde todos os terras se encontram. Frequentemente, este é o chassi ou estrutura metálica do produto. Também pode ser uma camada dedicada da placa. Este ponto único é frequentemente referido como terra em estrela porque os vários condutores se estendem desta localização em um padrão que se assemelha um pouco a uma estrela. Em aplicações de sinal misto, pode haver fontes de alimentação analógicas e digitais separadas que têm terra analógica e digital separadas 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 terra e enviar terras de componentes o mais diretamente possível para o plano de terra. Adicionar vias adicionais a uma placa cria impedância adicional. Esta consideração é especialmente crucial para correntes transitórias rápidas que podem causar um caminho de impedância a se tornar uma diferença de tensão.

5. Projete o Aterramento Antes do Roteamento

O terra deve ser projetado antes de qualquer roteamento. O terra é a fundação para o processo de roteamento, então é crucial projetar o terra corretamente. Se um terra é projetado mal, todo o dispositivo está em risco, enquanto isso não é o caso se um sinal não funciona como esperado.

6. Entenda Como Suas Correntes Estão Fluindo

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

7. Prepare-se para Variância Dinâmica Entre Terras

Em um sistema multi-placa, ao enviar conexões de terra entre placas, é importante planejar para uma variância dinâmica. É especialmente crítico ao lidar com aplicações que requerem cabos de longa distância. Isoladores ópticos, sinais diferenciais de baixa tensão e choke de modo comum podem ajudar a manter a variância sob controle.

8. Mantenha Considerações de Sinal Misto em Mente

Ao lidar com sinais analógicos e digitais juntos, você precisa ser cuidadoso em seu planejamento. As partes analógicas da placa devem ser mantidas isoladas, incluindo conversores analógico-para-digital (ADCs) e conversores digital-para-analógico. Você pode conectar o terra de um ADC de volta a um ponto de terra 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. Frequentemente há confusão em torno deste conceito, e a implementação pode ser difícil. Garantir que você entende o fluxo de corrente em seu design, e empregar algumas das práticas e técnicas descritas neste artigo pode ajudar.

Fazer parceria com um fornecedor de PCB experiente como a Millennium Circuits pode ajudar também. Podemos ajudar a garantir que você receba PCBs que usam as técnicas adequadas de aterramento para suas aplicações. Entre em contato conosco com quaisquer perguntas ou para ajuda em encontrar os PCBs perfeitos para seu próximo projeto. Solicite uma cotação rápida para começar hoje.

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