Guia de design de placa de circuito impresso

Placas de circuito impresso, também conhecidas como PCBs, formam o núcleo de cada peça eletrônica hoje. Esses pequenos componentes verdes são essenciais para aparelhos de uso diário e máquinas industriais. O design e o layout do PCB é um componente importante da função de qualquer produto - é isso que determina o sucesso ou o fracasso de um equipamento. Com a constante evolução da tecnologia, esses designs continuaram avançando. Hoje, a complexidade e as expectativas desses projetos atingiram novos patamares, graças à inovação dos engenheiros elétricos.


Os recentes avanços nos sistemas e tecnologia de design de PCBs tiveram efeitos abrangentes em toda a indústria. Como resultado, as regras de design de PCB e os processos de produção evoluíram para alcançar novos layouts e recursos. Hoje, trilhas menores e placas multicamadas são comuns em PCBs produzidos em massa - tais projetos seriam inéditos anos atrás. O software de design de PCB também ajudou nessa progressão. Esses programas fornecem ferramentas com as quais os engenheiros eletrônicos podem projetar PCBs melhores desde o início.

Mesmo com esses recursos aprimorados, os layouts das placas PCB são difíceis de projetar. Mesmo o engenheiro eletrônico mais experiente pode ter dificuldades para criar um circuito em uma PCB ou como projetar uma placa PCB de acordo com as melhores práticas do setor. Ainda mais difícil é criar um quadro de qualidade para atender às necessidades dos clientes. Com projetos de clientes, equilibrar a funcionalidade do PCB com as melhores práticas de projeto é um processo complicado. É por isso que descrevemos o processo de projeto de PCBs, incluindo algumas regras essenciais de projeto de PCBs.

Determinando a necessidade

A primeira das principais etapas do projeto de PCB é uma necessidade. Para a maioria dos engenheiros eletrônicos, esses requisitos são ditados pelo cliente, que listará todos os requisitos que o PCB deve atender. O engenheiro eletrônico deve então converter as necessidades listadas pelo cliente em formato eletrônico. Essencialmente, isso significa traduzi-los para uma linguagem de lógica eletrônica, que é o que o engenheiro usará ao projetar o PCB.

As necessidades do projeto determinam vários aspectos do design do PCB. Isso inclui tudo, desde os materiais até a aparência final da própria PCB. A aplicação do PCB, como médica ou automotiva, muitas vezes determinará os materiais no PCB. Por exemplo, muitos PCBs médicos para implantes eletrônicos são feitos com bases flexíveis. Isso permite que eles se encaixem em pequenos espaços, ao mesmo tempo em que resistem a um ambiente orgânico interno. A aparência final do PCB é determinada principalmente por seus circuitos e funcionalidades - por exemplo, muitos PCBs mais complexos são feitos com várias camadas.


O engenheiro eletrônico determinará e listará essas necessidades e, em seguida, usará essa lista de requisitos para projetar o esquema inicial da PCB, bem como a BOM.

Esquemas

O projeto esquemático é essencialmente o projeto que os fabricantes e outros engenheiros usam durante os processos de desenvolvimento e produção. O esquema determina a função do PCB, as características do projeto e a colocação dos componentes. O hardware do PCB também está listado neste esquema. Este equipamento inclui o material da placa de circuito impresso, os componentes envolvidos no projeto e quaisquer outros materiais que o fabricante necessite durante o processo de produção.


Todas essas informações estão contidas no esquema durante o estágio inicial do projeto. Depois de terminar o primeiro esquema, o projetista faz uma análise preliminar, verificando possíveis problemas e editando-os conforme necessário. O esquema é então carregado em uma ferramenta especial para uso no software de design de PCB, que pode executar simulações para garantir a funcionalidade. Essas simulações permitem que os engenheiros detectem quaisquer erros de projeto que possam ter perdido durante a verificação esquemática inicial. Depois disso, o projeto eletrônico do circuito pode ser convertido em uma "netlist", que lista informações sobre a interconectividade dos componentes.


Ao considerar o design de seu esquema, os engenheiros eletrônicos devem ter em mente alguns conceitos básicos de design de placas de circuito desde o início. Algumas dessas considerações a serem implementadas durante o estágio de desenvolvimento esquemático incluem o seguinte:

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• • Selecionando o tamanho de painel de PCB apropriado:Selecionar o tamanho de placa mais compatível com o equipamento a ser usado é uma prática recomendada básica, mas muitas vezes esquecida. Dessa forma, o espaço extra não é desperdiçado, os traços são mantidos em um comprimento mínimo e os custos gerais de material são mantidos um pouco baixos. É importante, no entanto, garantir que as especificações do projeto sejam otimizadas para produção em massa. Ficar muito pequeno com um design de placa pode não ser viável para configurações de produção em massa que produzem variação suficiente entre as peças para atrapalhar designs menores.
• • Selecione a grade correta:o espaçamento da grade é sempre definido e aplicado para se adequar à maioria dos componentes. Aderir a essa grade é uma das coisas mais benéficas que um engenheiro pode fazer para evitar problemas de espaçamento, portanto, selecionar a melhor para o trabalho é crucial. Se algumas partes não funcionarem tão bem com a grade, o designer deve tentar encontrar alternativas ou, melhor ainda, usar produtos autoprojetados.
• • Implemente o DRC o máximo possível:Muitas empresas de montagem de PCB cometem o erro de executar o software de verificação de regras de projeto (DRC) apenas no final do processo de projeto. Isso permite que pequenos erros e escolhas de design questionáveis ​​se acumulem, resultando em mais trabalho de correção no final do processo de design. Em vez disso, os designers devem verificar seu trabalho com um DRC com a frequência possível. Isso permite que eles resolvam os problemas identificados pelo DRC o mais rápido possível e minimizam o número de mudanças maciças no final do processo de design. Isso acaba economizando tempo e suavizando o processo de edição, para que não seja tão pesado.

Lista de materiais

Enquanto o esquema está sendo gerado, o engenheiro eletrônico também desenvolve uma bela lista de materiais, ou BOM. Esta é a lista de componentes usados ​​no esquema da placa PCB. Assim que a BOM e o esquema estiverem concluídos, o engenheiro eletrônico passa para um engenheiro de layout e um engenheiro de componentes. Esses engenheiros verificam as especificidades e obtêm os componentes necessários para o projeto. Especificamente, o engenheiro de componentes é responsável por escolher os componentes que se encaixam no esquema em termos de tensão e corrente máximas de operação. Eles também são responsáveis ​​por selecionar equipamentos que estejam dentro dos parâmetros de custo e tamanho razoáveis.


Os cinco aspectos mais importantes que os componentes do BOM devem atender incluem o seguinte:

• • Quantidade:O número de componentes adquiridos deve atender, no mínimo, ao número de componentes listados na BOM.
• • Designadores de referência:cada componente deve ser identificado de acordo com seu lugar dentro do circuito no PCB.
• • Valor:cada componente deve estar dentro de uma faixa específica de valores, incluindo ohms, farads, etc. O custo é um fator que preocupa o cliente.
• • Pegada:A localização de cada componente deve ser listada.
• • Número da peça do fabricante:Rastreie o número da peça em caso de mau funcionamento, tanto para os montadores quanto para referência do fabricante.

Além dessas diretrizes básicas da BOM, é uma boa ideia manter algumas considerações em mente ao formular a BOM e o esquema em geral. Isso inclui as seguintes dicas de design de PCB:

• • Integrar Componentes:Escolher componentes é um dos trabalhos mais importantes de um designer. Para ajudar no processo, você tem a opção de selecionar componentes discretos com valores de componentes altos ou baixos e efeitos semelhantes. Ao integrar esses componentes e produzir uma pequena categoria de valor padrão, você pode simplificar efetivamente a lista de materiais e diminuir o custo do produto.


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• • Aplique um capacitor de desacoplamento:Nunca tente otimizar seu projeto eliminando linhas de energia desacopladas. Muitos projetistas evitam esses capacitores em uma tentativa equivocada de reduzir custos. Capacitores são de baixo preço e são muito duráveis, adicionando longevidade ao seu projeto. Os capacitores também ajudarão a manter a ordem de sua placa de circuito, mantendo os custos baixos. Concentre-se nas dicas acima se estiver preocupado com sua BOM.

Colocação de componentes de PCB

Cada componente deve ter seu local designado em um projeto de placa de circuito. Escolher o posicionamento correto é a parte complicada. Determinar o melhor local para um elemento depende de vários fatores e considerações para o projetista, incluindo gerenciamento térmico, considerações de ruído elétrico e função geral da placa de circuito impresso. Na maioria dos casos, no entanto, os projetistas colocarão os componentes na seguinte ordem:

• • Conectores
• • Circuitos de energia
• • Circuitos sensíveis e de precisão
• • Componentes críticos do circuito
• • Todos os outros elementos

Mais algumas considerações de design a serem lembradas durante este estágio do ciclo de design incluem o seguinte:

• • Identifique e divida em relação aos componentes e pontos de teste necessários:se houver algum componente preocupante no PCB, coloque-o próximo aos pontos de teste necessários para uma detecção de falhas mais rápida.
• • Aplique de forma flexível a serigrafia:a serigrafia pode marcar uma ampla gama de informações para uso por fabricantes, engenheiros, montadores e testadores de PCB durante várias partes do processo de montagem de PCB. Na serigrafia, é uma boa ideia marcar funcionalidades, marcas de teste e direções de colocação de componentes e conexões. Tente aplicar serigrafias tanto na parte superior quanto na inferior da placa de circuito impresso para evitar trabalhos duplicados e, ao mesmo tempo, esclarecer as instruções para montadores manuais, simplificando o processo de produção.

Depois que esses componentes individuais forem colocados no projeto do circuito impresso, é melhor concluir outra rodada de testes para verificar a operação apropriada da placa. Isso ajudará a identificar quaisquer escolhas de projeto problemáticas e a identificar possíveis ajustes.

Roteamento

Uma vez que os componentes são colocados no PCB, o próximo passo no básico do projeto do PCB é conectá-los todos. Cada elemento da placa é conectado por meio de traços, que são realizados por meio de roteamento adequado. O roteamento, no entanto, tem um processo de design próprio, devido às muitas considerações que os designers devem levar em conta. Esses fatores incluem níveis de potência, sensibilidade ao ruído do sinal, geração de ruído do sinal e capacidade de roteamento.


Felizmente, a maioria dos softwares de projeto de PCB roteará traços usando a netlist desenvolvida a partir do esquema. O programa faz isso utilizando o número de camadas disponíveis para conexão e calculando as melhores rotas para aproveitar o espaço. O programa também altera o design conforme necessário. Isso pode exigir muito poder de computação, especialmente para modelos maiores. O resultado é um processo de roteamento mais longo - o programa pode levar ainda mais tempo quando os componentes são colocados em um arranjo particularmente denso.


Embora a maioria dos softwares de PCB encaminhem os traços de acordo com a netlist de um esquema, este software não é universal. Nem todos os projetistas de PCB usam software de roteamento automático, e mesmo aqueles que o fazem tendem a verificar novamente os rastreamentos em busca de problemas. Isso é sempre uma boa prática de qualquer maneira, pois até mesmo os computadores podem produzir resultados que o designer não gosta.


A regra geral para traços é que aqueles com largura de 10 a 20 mils são capazes de transportar 10 a 20 mA de corrente. Traços com larguras de 5 a 8 mils, por outro lado, podem transportar corrente inferior a dez mA. Esta é uma consideração especialmente importante para projetos de PCB de alta corrente ou projetos para PCBs com sinais que mudam rapidamente, pois roteá-los para nós de alta frequência exigirá uma largura de rastreamento específica.

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• • Distribuir adequadamente as linhas de energia e terra:A maioria dos projetistas de PCBs dedicará uma camada de circuito para uso como plano de terra. Outro geralmente será dedicado como um avião de força. Isso ajuda a reduzir o nível de ruído no PCB e permite que o projetista crie conexões de baixa resistência da fonte. Uma boa prática de projeto de PCB é distribuir as linhas de acordo com o plano de potência o máximo possível. Isso ajuda a melhorar a eficiência e reduzir a impedância, fornecendo caminhos de loop de terra suficientes.
• • Maintain Short Traces:Make sure traces are as short as possible at every stage of the design. While most PCB assembly processes include a step for optimizing trace length, this should be practiced at every design stage. This rule should be even more closely observed when the designer is working with an analog or high-speed digital circuit. These types of printed circuits, commonly found in automobiles and telecommunications devices, are more severely impacted by impedance and parasitic effects.

Checks

Checking the design is possibly the most important step of the design process. This segment of the process considers everything about the design, looking for potential problems that plague PCB designs.


For example, a common problem in PCB designs is heat. PCB with a perfect thermal design can keep the entire board a consistent and uniform temperature, preventing heat spots. However, such heat spots and temperature inconsistencies can be caused by any number of design features, such as copper thickness variations, the number of layers in the PCB, larger PCB board sizes and the presence or absence of thermal paths.

A simple design check can catch potential problems in PCB heat management, most PCB DRC software can pick them up as well. There are several methods to reduce PCB operational temperatures, many of which are mitigated by PCB design basics. A few of these heat-managing tips include:

• • Connect solid ground or power planes with more layers directly to the heat source of the PCB. These planes are typically more able to dissipate heat, since they tend to contain more copper.
• • Establish effective heat and high-current routes to help direct and dissipate heat. This can help optimize heat transfer.
• • Maximize the area used for heat transfer. This can help maintain a lower temperature across the board. This is something that must be considered early in the design process, however, as it can impact the size of the board.

Most DRC software can catch the aforementioned problems. The DRC software takes all the details about a PCB design and determines whether the layout satisfies a list of predetermined parameters. These are called PCB design rules. Ideally, as previously mentioned, the DRC should be used throughout the design process to identify problem areas early on. However, if all else fails, using DRC after everything else is complete can save a lot of design time and confusion between the designer and the assembly company.


The check step of the design process doesn't just include the DRC check - it also includes several other physical verification processes, including a layout-versus-schematic (LVS) check, an XOR check, an electrical rule (ERC) check and antenna check. More advanced PCB manufacturers may use additional checks and rules to improve yield, but these are the basic checks designers and manufacturers typically use.


Furthermore, it's good practice to verify manufacturing parameters before submission. Before submitting the final design for production, the designer should personally generate and verify the PCB manufacturing parameters. Though most manufacturers are willing to download and verify design files for their client, it's better to double-check the design before sending it in. This can help avoid any confusion or misunderstanding and can avoid losses due to manufacturing with incorrect parameters. This verification step can also expedite the process by decreasing the amount of time needed to correct and reverify the design before manufacturing starts.

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