10 mandamentos da PCB

PCB

Na confecção de uma Placa de Circuito Impresso, ou da sigla PCB em inglês, existem boas práticas que devem ser sempre aplicadas. Vamos, aqui, listar 10 dessas práticas que devem estar sempre na mente de todo o engenheiro para o desenvolvimento de produtos eletrônicos.

 

Essas práticas visam minimizar problemas com EMC, EMI, Loops de Terra, acoplamentos, entre outros problemas comuns em PCB. Já tivemos um artigo no site sobre Loops de PCI e outro sobre EMC, além de um sobre PCB Multicamada, todos escritos pelo Thiago Lima. Vale a pena conferir.

 

 

1. Planos de Terra

 

Um Plano de Terra (Ground Plane) de baixa indutância é fundamental para minimizar problemas de EMC. Maximizar as áreas de terra de uma PCB reduz a indutância de terra em um sistema, que por sua vez reduz as emissões eletromagnéticas e o Crosstalk.

 

Conectando todos os terras individuais e, em seguida, conectá-los ao plano de terra, não é aconselhável, pois aumenta o tamanho da malha de corrente. Os sinais podem acabar se acoplando ao terra de diferentes maneiras. Se os componentes estiverem ligados de maneira aleatória ao terra do sistema, teremos uma PCB de baixa qualidade. Esse problema de layout gera alta indutância e problemas sérios de EMC.

 

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Figura 1: Layout NÃO recomendado!
Figura 2: Layout recomendado!
Figura 2: Layout recomendado!

 

A forma como um sinal de volta à terra do sistema é muito importante, pois quando um sinal toma um caminho mais longo, ele cria um loop de terra, que forma uma antena e irradia energia. Assim, toda a trilha que flui corrente de volta para a fonte deve seguir o caminho mais curto possível, e deve ir diretamente para o plano de terra.

 

Uma abordagem de design recomendada é ter um plano inteiro de terra, pois isso proporciona menor impedância para as correntes de retorno.

 

Figura 3: Plano de terra e furos de passagem.
Figura 3: Plano de terra e furos de passagem.

 

No entanto, um plano de terra requer uma camada PCB dedicada, que pode não ser possível para PCBs de duas camadas. Neste caso, os designers devem usar grids de terra, como abaixo. A indutância de terra neste caso dependerá do espaçamento entre as redes.

 

Figura 4: Grids de terra, quando não é possível o uso de um plano.
Figura 4: Grids de terra, quando não é possível o uso de um plano.

 

 

2. Agrupamento e Placement

 

Para um projeto livre de EMC, componentes no PCB devem ser agrupados de acordo com sua funcionalidade, tais como, seções analógicas, seções digitais, fonte de alimentação, circuitos de baixa velocidade, circuitos de alta velocidade, e assim por diante. As trilhas para cada grupo devem permanecer em sua área designada.

 

Figura 5: Separação dos componentes em grupos de função.
Figura 5: Separação dos componentes em grupos de função.

 

Além da separação em seções, é recomendado a separação das alimentações. Deve-se fazer planos por funções, fazendo a ligação entre os planos de terra em pontos definidos. Isso significa que, mesmo que eletricamente conectados, tratam-se de planos de terra diferentes.

 

Figura 6: A ligação de todos os grupos na mesma linha de alimentação e terra não é recomendada.
Figura 6: A ligação de todos os grupos na mesma linha de alimentação e terra não é recomendada.
Figura 7: Cada seção do circuito deve ter seu plano de terra, havendo a interligação entre eles.
Figura 7: Cada seção do circuito deve ter seu plano de terra, havendo a interligação entre eles.

 

Para um sinal fluir de um subsistema para outro, um filtro deve ser utilizado nos limites entre os sistemas.

 

Figura 8: É recomendado o uso de interfaces entre seções do sistema.
Figura 8: É recomendado o uso de interfaces entre seções do sistema.

 

 

3. Camadas da PCB

 

Arranjo adequado das camadas é vital do ponto de vista do EMC. Se forem utilizadas mais do que duas camadas, uma camada completa deve ser utilizada como um plano de terra. No caso de uma placa de quatro camadas, a camada por baixo do plano de terra deve ser utilizada como um plano de VCC.

 

Figura 9: Separação dos layers internos.
Figura 9: Separação dos layers internos.

 

Deve-se tomar cuidado para que o plano de terra esteja sempre entre as trilhas de sinal de alta frequência e o plano de VCC. Se planos de alimentação separados não puderem ser usados, então a trilha de terra deve correr em paralelo com a de VCC para manter a alimentação sem ruídos.

 

Figura 10: Traçando a alimentação.
Figura 10: Traçando a alimentação.

 

 

4. Circuitos Digitais

 

Ao lidar com circuitos digitais, deve ser dada atenção extra para os sinais de clock e outros sinais de alta velocidade. Trilhas de ligação desses sinais devem ser as mais curtas possíveis e estarem ao lado do plano de terra para manter a radiação e crosstalk sob controle. Com estes sinais, deve-se evitar o uso de furos de passagens, ou trilhas de roteamento na borda PCB, ou mesmo próximos conectores. Esses sinais também devem ser mantidos fora do plano de alimentação, uma vez que pode induzir ruído no plano de energia também.

 

Figura 11: Trilhas de alta velocidade irradiam EMI.
Figura 11: Trilhas de alta velocidade irradiam EMI.

 

Quando rotear trilhas de um cristal ou oscilador, nenhuma outra trilha deverá ser roteada paralela a esta, ou mesmo abaixo do cristal, além do terra. O cristal precisa estar muito próximo dos componentes que utilizarão seu sinal. Também é importante notar que a corrente de retorno sempre segue o caminho menos reativo. Portanto, trilhas de terra que transportam corrente de retorno deve ser mantido perto destes sinais.

 

Trilhas que transportam sinais diferenciais devem ser roteadas próximas destes para utilizar de forma mais eficaz a vantagem de cancelamento campo magnético.

 

Figura 12: Planos de terra devem ser colocados próximos a pares diferenciais.
Figura 12: Planos de terra devem ser colocados próximos a pares diferenciais.

 

 

5. Casamento de Impedância

 

Trilhas que transportam sinais de alta frequência, como o clock, de uma fonte qualquer para um dispositivo, devem ter terminações correspondentes. Isso porque, sempre que há uma diferença de impedância, uma parte do sinal é refletida.

 

Figura 13: O casamento de impedância deve considerar a reatância da trilha.
Figura 13: O casamento de impedância deve considerar a reatância da trilha.

 

Se os cuidados adequados não são tomados para lidar com este sinal refletido, uma grande quantidade de energia será irradiada. Reflexões estão intimamente relacionadas com a teoria de antenas, mas diferente o suficiente para justificar a sua própria discussão. Quando uma trilha de uma PCB faz um ângulo de 90º, pode ocorrer uma reflexão.

 

Em um ângulo reto, a largura da trilha é aumentada para 1.414 vezes a sua largura original. Isso atrapalha as características da linha de transmissão, especialmente a capacitância distribuída e a indutância, resultando na reflexão. No entanto não é possível fazer uma PCB apenas com linhas retas. A maioria dos sistemas CAD e EDA possuem funções automáticas para dar algum efeito de arredondamento no traçado. 

 

Figura 19: Melhores práticas para traças trilhas.
Figura 14: Melhores práticas para traças trilhas.

 

 

6. Circuitos Analógicos

 

Trilhas que transportam sinais analógicos devem ser mantidas longe de sinais de alta velocidade ou de chaveamento, e devem sempre estar protegidas com planos de terra. Filtro passa-baixa deve sempre ser usado para se livrar de ruídos de alta frequência que se acoplam pelas trilhas analógicas. Além disso, é importante não compartilhar o plano de terra com circuitos digitais, como dissemos anteriormente.

 

Figura 14: Deve-se tomar cuidado com o roteamento das trilhas analógicas.
Figura 15: Deve-se tomar cuidado com o roteamento das trilhas analógicas.

 

 

7. Capacitor de Desacoplamento

 

Qualquer ruído na fonte de alimentação tende a alterar o funcionamento de um dispositivo em operação. Geralmente, o ruído acoplado na fonte de alimentação é de uma alta frequência. Por isso, capacitores de bypass ou capacitores de desacoplamento são necessários para filtrar este ruído.

 

Um capacitor de desacoplamento fornece um caminho de baixa impedância para sinais de alta frequência no plano de VCC para o terra. O caminho seguido pela corrente à medida que é conduzida em direção ao terra forma um loop de terra. Este caminho deve ser o menor possível, seguindo pelos capacitores de desacoplamento. Um loop de terra grande aumenta a radiação e pode agir como uma fonte potencial de falha por EMC.

 

Figura 15: Use sempre capacitores de desacoplamento.
Figura 16: Use sempre capacitores de desacoplamento.

 

A proximidade do capacitor com o circuito que deseja-se proteger é fundamental, pois longas distâncias de trilhas significam indutâncias indesejadas em série. Além disso, a reatância de um capacitor ideal se aproxima de zero com o aumento da frequência. Infelizmente, não existe capacitor ideal. Além disso, o chumbo e o encapsulamento adicionam indutância. Capacitores com baixo ESL (indutância em série equivalente) devem ser usados para melhorar o efeito de desacoplamento.

 

Tabela 1: Frequência máxima dos capacitores.

 Tipo do Capacitor  Frequência Máxima 
Eletrolítico de Alumínio100KHz 
Eletrolítico de Tântalo1MHz 
Mica500MHz 
Cerâmico1GHz 

 

Tipicamente adota-se a seguinte prática. Capacitores de 100nF cerâmico próximos a cada semicondutor do dispositivo, ligados a cada ponto de entrada de alimentação. Se sua situação é um circuito de alta potência, ou sinais de alta frequência, é importante pensar em outros valores e posições com cuidado.

 

Figura 21: Posicionamento típico dos capacitores de desacoplamento, sempre próximos a cada ponto de entrada de alimentação.
Figura 17: Posicionamento típico dos capacitores de desacoplamento, sempre próximos a cada ponto de entrada de alimentação.

 

8. Fios e Cabos

 

A maioria dos problemas relacionados com EMC são causadas por cabos que transportam sinais digitais que atuam efetivamente como uma antena eficiente. Idealmente, a corrente que entra um cabo sai do outro lado, mas na realidade as coisas são diferentes por causa da indutância e capacitância parasitas que emitem radiação.

 

Figura 16: Fios e cabos são os principais pontos de interferência.
Figura 18: Fios e cabos são os principais pontos de interferência.

 

Usar um cabo de par trançado ajuda a manter o acoplamento a um nível baixo, minimizando os campos magnéticos induzidos. Quando um flat-cable é usado, devem ser fornecidos vários caminhos de retorno à terra. Para sinais de alta frequência, cabos blindados devem ser utilizados, onde a blindagem está ligada à terra.

 

Figura 17: Fios e cabos preferencialmente trançados.
Figura 19: Fios e cabos preferencialmente trançados.

 

 

9. Crosstalk

 

O crosstalk pode existir entre duas quaisquer trilhas sobre um PCB e acontece por conta da indutância mútua e capacitância mútua. É dependente da distância entre as duas trilhas, a frequência do sinal, e a impedância das trilhas.

 

Figura 18: Problemas de crosstalk entre trilhas.
Figura 20: Problemas de crosstalk entre trilhas.

 

Em sistemas digitais, crosstalk causada por indutância mútua é tipicamente maior do que o crosstalk causada por capacitância mútua. Essa indutância mútua pode ser reduzida, aumentando o espaçamento entre os dois traços ou através da redução da distância entre o plano de terra.

 

 

10. Blindagem

 

Blindagem não é uma solução elétrica, mas uma abordagem mecânica para reduzir EMC. Caixas metálicas, feitos de materiais condutores e/ou magnéticos, são usados para evitar que a EMI irradie para fora do sistema.

A blindagem pode ser utilizada para cobrir todo o sistema ou uma parte do mesmo, dependendo dos requisitos. Funciona como um recipiente fechado condutor ligado ao terra, que reduz eficazmente a EMI porque absorve e reflete parte da sua radiação.

 

Figura 20: Blindagem de parte de um sistema.
Figura 21: Blindagem de parte de um sistema.

 

 

Referências

 

  1. How to Avoid EMC Problems in PCB Design - Lisa Liu Jingwen
  2. Circuit Board Layout Techniques - Texas Instruments
  3. EMC - The art of compatibility - Microchip
  4. Methodologies for Chip-Package-Systems Co-Design with EMC/EMI Focus
  5. GND plane close to LVDS differential pair
  6. AVR Hardware Design Considerations
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Francesco Sacco
Engenheiro Eletricista formado PUC-SP e Técnico em Eletrônica pela ETE Getúlio Vargas, é especialista em projetos eletrônicos analógicos e digitais, especialmente no condicionamento de sinais analógicos e integração entre dispositivos digitais. Nos últimos anos, vem atuando no desenvolvimento de software embarcado para núcleos ARM Cortex e na construção de hardwares para sistemas de potência.

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Moises MeneguimErisson SiqueiraGiovanniVinícius O. SantosFrancesco Sacco Recent comment authors
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Moises Meneguim
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moises meneguim

Olá, sou novo no site e gostaria de saber se as páginas oferecem opção de impressão e porte para PDF. Desde já grato.

Erisson Siqueira
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Erisson Siqueira

Existe algum diâmetro padrão para os furos de passagem da [Figura 3] e também uma medida padrão para distância entre furos? Como deve ser calculado isso?

Giovanni
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Giovanni

Excelente matéria de reflexão, análise e consulta técnica!

Vinícius O. Santos
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Vinicius

Sobre o plano de terra, tenho uma dúvida. Qual diferença para uso do plano de terra sólido para o plano de terra em malha ou harched (malha).

Paulo Rafael
Visitante
Paulo Rafael

Francesco, boa noite

Notei que em algumas Pcb as trilhas destinadas a memorias sao em forma de ondas, sabe me dizer o porque disto?

William Hertzing Kohler
Visitante
William Hertzing Kohler

Paulo,

Isto ocorre geralmente em situações que existe comunicação com sinais paralelos, pois todas as trilhas deste sinal precisão ter o mesmo comprimento.

Saulo Furtado
Visitante
Saulo Furtado

Imagina um artigo bom! haha
Até mais.

Fernando França
Visitante

Concordo com o colega, ótimo artigo, obrigado pelas dicas e se possível, siga nesse assunto.

Oliveira Fausto
Visitante
Oliveira Fausto

Excelente artigo. Espero que tenha mais.

Stéfano Andrade de Souza
Visitante
Stéfano Andrade

Parabéns pelo Artigo Francesco! Muito legal essa compilação de dicas, deve ter sido extremamente difícil escolher só 10! hahah

Rafael Dias
Visitante
Rafael Dias

Em relação aos capacitores de desacoplamento, além de tudo que está no artigo, não é também recomendado que o elemento que provê a alimentação seja o capacitor?
Se houver algum surto, o capacitor já atuaria como um filtro.

Desta forma, ficaria mais ou menos assim:

PWR Supply -> Desac. Capacitor -> Power pins

Francesco Sacco
Visitante

Olá Rafael,

Então concordo com você. Outros articulistas também me disseram que essa parte ficou muito superficial. No entanto, eu acho que valeria um artigo inteiro só para os capacitores de desacoplamento.

Enfim, fica para o pessoal do Embarcados como lição de casa. 🙂
Obrigado pelo retorno. Um abraço.

Francesco