Principais Armadilhas no Projeto de PCB Explicadas: Análise Abrangente

A PCB (Placa de Circuito Impresso) é tão central em produtos eletrônicos que é aplicada em quase todos os aparelhos de diferentes áreas, desde pequenos até grandes, de computadores e telecomunicações a hardware militar. Simplificando, a PCB desempenha papel significativo na implementação das funções dos produtos eletrônicos.

No entanto, projetar uma placa de circuito nunca é tarefa fácil e muitas associações — entre camadas, componentes ou circuitos — devem ser tratadas adequadamente. Um projeto mal pensado pode trazer falhas ou até catástrofes quando operando dentro de um sistema eletrônico. Apesar da dificuldade inerente ao projeto de PCB, alguns problemas comuns podem ser resumidos para que todos os projetistas tomem ciência antecipadamente e aprendam a lidar com eles antes da fase de fabricação.

NOTA: Este artigo discute problemas e soluções de projeto de PCB baseados na participação do software Altium Designer.

Problemas de Projeto de PCB no Esquemático

Problema #1: Segundo relatório ERC, não há sinal de acesso nos pinos.

Análise:

• a. I/O deve ser definido nos pinos ao criar o encapsulamento (package);
• b. Ao criar ou posicionar componentes, o atributo de não conformidade pode ser modificado, deixando pinos e trilhas soltos;
• c. Ao criar componentes, o pino sofre com direção inversa.

Problema #2: Componentes ficam fora da folha.

Análise: Arquivos não são criados no centro da folha da biblioteca de componentes.

Problema #3: A netlist do arquivo de engenharia criada só acessa parcialmente a PCB.

Análise: O item "global" não foi selecionado ao gerar a netlist.

Problema #4: Componentes não podem ser rotacionados.

Análise: O método de entrada deve ser alternado.

Problemas de Projeto de PCB na Placa

Problema #1: No processo de carregamento de rede, relatório NODE não ocorre.

Análise:

• a. Componentes no esquemático podem usar encapsulamento não disponível na biblioteca;
• b. Componentes usam encapsulamentos incompatíveis com os da biblioteca.

Problema #2: Relatório DRC mostra rede dividida em várias seções.

Análise: Este problema demonstra que a rede não está conectada e COBRE CONECTADO pode ser usado para percorrer o arquivo.

Problema #3: Durante a operação, tela azul deve ser usada o mínimo possível.

Análise: Arquivos podem ser exportados várias vezes para gerar novo arquivo DDR e reduzir tamanho. Roteamento automático não é sugerido para PCBs complexas.

O roteamento é etapa significativa no projeto de PCB e todos os passos anteriores são preparação. No projeto de PCB, o roteamento exige mais requisitos. Pode ser classificado em roteamento de face única, face dupla e multicamadas. Dois métodos estão disponíveis: roteamento automático e interativo. Antes do automático, o interativo pode ser usado para sistemas complexos. As bordas nos terminais de entrada e saída devem evitar serem paralelas para não gerar interferência RF. Linhas de terra devem ser adicionadas quando necessário e o roteamento em duas camadas adjacentes deve ser perpendicular. Linhas paralelas tendem a gerar acoplamento parasita. A taxa de roteamento automático depende de layout bem pensado e regras podem ser definidas antecipadamente. Geralmente, roteamento baseado em consulta pode ser feito primeiro e o caminho otimizado no geral. Trilhas roteadas serão fechadas e o re-roteamento implementado para melhorar o efeito geral. No projeto de PCB densa em componentes, furos passantes (vias) sozinhos mal contam com muitos canais de roteamento desperdiçados. Por isso, a tecnologia de vias cegas e enterradas (blind/buried vias) foi criada. Não só funcionam como furos passantes, mas economizam muitos canais de roteamento, tornando o roteamento mais fácil, suave e melhor.

Problemas de Projeto de PCB em Interferência e Suas Soluções

Interferência sempre ocorre em equipamentos eletrônicos durante depuração e aplicação, derivando de muitas causas. Entre todas, roteamento irracional e colocação inadequada de componentes geram a maior parte da interferência, além da ambiental. A interferência pode tornar o equipamento incapaz de funcionar normalmente ou até falhar. Portanto, interferências possíveis devem ser contidas na fase de projeto.

Problema #1: Geração e controle de interferência em linhas de terra.

Análise e Soluções:

Se as linhas de terra indicam potencial zero, a diferença de potencial relativa de cada ponto de aterramento no circuito inteiro também deveria ser zero. No entanto, é quase impossível garantir diferença de potencial absolutamente zero e uma pequena diferença pode resultar em sinais de interferência afetando o funcionamento normal após serem amplificados por circuito amplificador.

Para conter a interferência, os seguintes métodos podem ser usados:

• a. Diretrizes corretas de aterramento devem ser seguidas;
• b. Linhas de terra digital devem ser separadas das analógicas;
• c. Linhas de terra devem ser engrossadas ao máximo;
• d. Aterramento deve ser revestido (coated) ao máximo.

Problema #2: Interferência de alimentação e contenção.

Análise e Soluções: Interferência de alimentação pode derivar de projeto irracional do esquemático, roteamento ou layout. Portanto, o loop AC-DC não pode ser conectado durante o roteamento e linhas de terra não devem correr paralelas ao loop grande. Além disso, linhas de alimentação e sinal não devem ser muito próximas e nunca paralelas. Quando necessário, filtros podem ser adicionados entre terminal de saída de alimentação e aparelho.

Problema #3: EMI (Interferência Eletromagnética) e sua contenção.

Como componentes são densamente colocados, se projeto irracional é implementado, EMI será gerada, como interferência de parâmetros distribuídos e EMI de componentes. Medidas correspondentes devem ser tomadas para combater diferentes interferências.

Análise e Soluções:

• a. Acoplamento parasita entre circuitos impressos. O efeito de parâmetro distribuído entre dois condutores paralelos com curta distância é equivalente a indutância e capacitância mutuamente acopladas. Sinais fluem por um condutor enquanto sinais indutivos são gerados no outro. Assim, linhas de sinal nunca devem ser paralelas durante o projeto de PCB ou linhas de blindagem podem ser usadas para conter sinais de interferência fraca.
• b. Interferência entre partes magnéticas. Alto-falantes e eletroímãs produzem campo magnético constante enquanto transformadores de alta tensão e relés produzem campo alternado. Ambos trazem interferência a componentes periféricos e linhas impressas. Medidas de contenção baseadas em diferentes situações:
  • Reduzir o corte em linhas impressas causado por linhas de força magnética.
  • Posições de duas partes magnéticas devem manter-se perpendiculares entre si em duas direções magnéticas diferentes para reduzir acoplamento.
  • Fonte de interferência deve receber blindagem magnética e a capa deve ser bem conectada à terra.

Problema #4: Interferência térmica e contenção.

Análise e Soluções: Quando aparelhos de alta potência operam, costumam apresentar temperatura tão alta que fontes de calor estão no circuito, interferindo no circuito impresso. Portanto, componentes sensíveis à temperatura devem ser colocados longe de partes geradoras de calor durante o layout e fontes de calor devem ser colocadas no ar externo à placa para evitar transferência de calor ou dissipação térmica. Se necessário, chapa de dissipação térmica deve ser equipada.

Este artigo cobre apenas os problemas mais comuns que costumamos encontrar no projeto de PCB e suas soluções. Na prática, mais questões são esperadas em sua experiência de projeto.

Recursos Úteis

• Como Projetar PCBs de Alta Qualidade
• As Principais Regras de Projeto de PCB que Você Precisa Conhecer
• Guia do Esquemático ao Projeto de PCB Baseado no Altium Designer
• Como Combater Interferência no Projeto de PCB
• Métodos para Fortalecer a Capacidade Anti-Interferência no Projeto de PCB