O debate sobre as "Regras de Ouro" e Diretrizes de Layout de PCB continua aceso

Até hoje, ainda vejo muitas "regras práticas" de layout de PCB que se tornaram comuns há quase 20 anos. Essas regras ainda se aplicam universalmente? A resposta é um firme "talvez". Muitas das conversas que você verá em fóruns sobre regras de design de PCB degeneram em uma discussão do tipo sempre/nunca, levando alguns designers a usar ou ignorar regras de design comuns em situações onde elas podem não se aplicar. Em alguns casos, isso não causará a falha de uma placa. Como alguns veteranos em design de PCB disseram, a placa pode funcionar bem por acidente.

A discussão em torno das regras práticas de layout de PCB não é se essas regras estão corretas ou incorretas. O problema é que a discussão em torno dessas regras muitas vezes carece de contexto, levando à discussão do tipo sempre/nunca vista em alguns fóruns populares. Meu objetivo neste artigo é comunicar o contexto por trás das regras comuns de design de PCB. Espero que isso ilustre quando essas diferentes regras são aplicáveis e quando devem ser evitadas.

As Regras Práticas Comuns de Layout de PCB

Sem mais delongas, vamos desmembrar algumas regras práticas comuns de layout de PCB e ver se podemos fornecer algum contexto útil por trás dessas regras de design.

Roteamento Ortogonal

Discuti essa regra prática específica em um artigo recente, então vou apenas repetir os pontos importantes aqui. A regra de roteamento ortogonal afirma que trilhas em camadas de sinal adjacentes devem ser roteadas em direções perpendiculares para eliminar o acoplamento indutivo entre trilhas nessas camadas adjacentes. Em altas frequências, você descobrirá que o acoplamento capacitivo começa a dominar, produzindo picos de corrente entre trilhas ortogonais.

Em tempos de subida baixos e frequências baixas (menos de alguns GHz), não haverá acoplamento capacitivo apreciável entre trilhas ortogonais em camadas adjacentes. Em altas frequências em placas de RF (várias dezenas de GHz), ressonâncias de cavidade na trama de fibra e entre estruturas condutoras não aterradas criarão ressonâncias eletromagnéticas fortes em frequências específicas. Isso pode então induzir um acoplamento forte entre camadas de sinal, mesmo que as trilhas em cada camada sejam roteadas ortogonalmente.

A melhor escolha em qualquer frequência é simplesmente separar as camadas de sinal por camadas de plano. Isso é especialmente verdadeiro com PCBs modernas, que operam em altas taxas de borda/frequências simplesmente devido às famílias lógicas usadas nos ICs modernos. Se você suspeitar que estará bem usando roteamento de trilhas ortogonais, você ainda deve executar uma simulação básica de diafonia com trilhas ortogonais e verificar se a diafonia irá ultrapassar sua margem de ruído. Certifique-se de planejar seu caminho de retorno com cuidado também, pois este é um dos principais problemas com o roteamento de trilhas ortogonais.

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Vias de Alívio Térmico

Este é um daqueles debates clássicos do tipo ‘sempre/nunca’. Um projetista dirá que nunca usa vias de alívio térmico, e nunca teve problemas de soldagem ou montagem. Enquanto isso, outro projetista afirmará que vias de alívio térmico devem sempre ser usadas em cada conexão de plano. Então, quem está correto?

Ambas as partes estão corretas em diferentes situações. Se você estiver soldando à mão, poderá aumentar a temperatura do seu ferro de solda para compensar a dissipação de calor em uma camada plana. Caso contrário, se sua montadora estiver usando soldagem por onda, então você precisará de vias de alívio térmico para evitar deslocamento de componentes, juntas frias e tombstoning. Na minha opinião, você estará melhor simplesmente optando por usar vias térmicas independentemente.

Roteamento em Ângulo Reto

Essa regra de ouro é provavelmente a única regra que todos amam odiar. Até hoje, ainda vejo designers afirmando que trilhas em ângulo reto nunca devem ser usadas sob nenhuma circunstância. As razões incluem o absurdo, como elétrons não conseguirem fazer uma curva de 90 graus em um canto de trilha, embora esses mesmos designers ignorem curvas de 90 graus em vias. As razões também são práticas, como uma trilha mais curta pode ser roteada com duas curvas de 45 graus em comparação com duas curvas de 90 graus. Outras explicações para esta regra de ouro afirmam que o exterior de todas as curvas de 90 graus deve ser chanfrado. Há também a questão das armadilhas de ácido, embora isso não seja uma preocupação com os agentes alcalinos modernos.

A menos que você esteja trabalhando com 50 GHz ou mais (o que, neste momento, se aplica apenas à comunidade de radar mmWave/5G), você não precisará se preocupar com traços em ângulo reto. Na verdade, você poderia traçar em qualquer ângulo que desejar enquanto ainda mantém o controle de impedância em toda a interconexão. Esse processo é extremamente fácil quando suas ferramentas de roteamento de PCB estão integradas com um solucionador de campo eletromagnético.

Layout de PCB: A Regra do ‘3W’

Isso na verdade se refere a três regras. A primeira versão da regra do 3W afirma que o espaçamento entre traços adjacentes deve ser pelo menos 3 vezes a largura dos traços. O objetivo é minimizar o fluxo magnético entre os traços. A lógica afirma que minimizar o fluxo magnético entre os traços, assim, minimiza a diafonia indutiva.

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As encarnações desta regra que eu li parecem ignorar o fato de que a força da diafonia indutiva é proporcional à indutância de loop do traço agressor e do traço vítima, que é proporcional à área fechada por ambos os traços. Se a indutância de loop e a área fechada por cada traço forem menores, então os traços poderiam ser espaçados por menos de 3W. Assim como é o caso com o roteamento ortogonal, você deve executar uma simulação básica de diafonia enquanto varia o espaçamento entre seus traços.

A outra encarnação da regra 3W aparece no roteamento em dente de serra para correspondência de comprimento. Esta regra é um limite superior para o tamanho da seção em dente de serra, que visa minimizar as descontinuidades de impedância nessas estruturas de correspondência de comprimento. Leia mais sobre esta versão da regra 3W neste artigo recente.

Finalmente, a terceira encarnação desta regra relaciona-se ao espaçamento entre microfaixas e a proximidade de cobre, ou entre linhas de transmissão e a proximidade de cobre. Esta regra de separação afirma que o espaçamento entre o traço e o cobre deve ser de pelo menos 3x a largura do traço para evitar que o cobre próximo modifique a impedância do cobre.

Como discuti em um artigo recente e mostrei com algumas simulações simples, esta regra é excessivamente conservadora. Embora seguir a regra não vá necessariamente prejudicar seu design ou causar um problema de integridade de sinal, você certamente pode violar esta regra até certo ponto. A extensão exata na qual você pode violar esta regra depende da largura do traço para o espaçamento da espessura da camada, bem como da constante dielétrica do substrato. Dê uma olhada no artigo vinculado para ver como isso pode ser calculado. Se você não está com vontade de calcular o espaçamento mínimo que você pode definir em suas striplines ou microstrips, você pode seguir a regra de 3W apenas para estar seguro.

A Regra ‘20H’

Esta regra define a distância que um plano de terra deve se estender abaixo de um plano de potência em uma PCB. Primeiro, você deve colocar um plano de potência adjacente ao seu plano de terra em uma PCB moderna para garantir suficiente capacitância interplano e reduzir a ondulação do barramento de potência em placas de alta velocidade.

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Alguns estudos experimentais sobre este assunto apresentam resultados mistos. De acordo com um estudo, as emissões de RF provenientes de campos marginais a menos de aproximadamente 300 MHz podem ser reduzidas em cerca de ~5 dBμV/m seguindo a regra 20H. Em frequências mais altas, correspondentes a ressonâncias forçadas na estrutura guia de onda do plano de terra-plano de potência, os resultados são bastante diferentes. As emissões de RF são suprimidas em algumas frequências, mas aumentadas em outras, independentemente de se seguir a regra 20H ou não. Na prática, seguir a regra 20H simplesmente altera as frequências de ressonância, todas no intervalo de GHz.

Aqui está o veredito: se as larguras de banda do seu sinal estiverem abaixo do intervalo de GHz, então você pode muito bem usar a regra 20H. Caso contrário, não parece haver um benefício universal; se a regra 20H irá suprimir ou não as emissões de RF provenientes de campos marginais depende da largura de banda do sinal.

Leitura Adicional sobre Regras de Layout de PCB

Confira estes outros artigos sobre regras de design de PCB:

• As 5 Principais Diretrizes de Design de PCB que Todo Designer de PCB Precisa Saber
• 7 Conceitos Errados Comuns sobre Design de PCB
• O Pior Conselho que Já Ouvimos Sobre Design de PCB

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