Placas de Circuito Impresso (PCIs) formam a espinha dorsal da maioria dos dispositivos eletrônicos modernos, fornecendo uma plataforma para conectar componentes eletrônicos. Para iniciantes, o design de PCIs pode parecer complexo, mas com a abordagem certa, torna-se uma tarefa gerenciável e recompensadora. Este guia o levará pelo processo passo a passo de design de uma PCI, do planejamento às verificações finais.

Hoje, como exemplo, percorreremos o processo de design de um módulo de carregamento de bateria de íon-lítio. O TP4056 é um dos módulos de carregamento mais populares disponíveis, então seria fantástico criar uma versão 2 do famoso módulo de carregamento TP4056. Mas para aumentar a corrente nominal, substituímos o circuito por um novo CI chamado IP2312, mantendo o fator de forma da PCI semelhante ao TP4056, que tem capacidade de fornecer até 3A. Para ver o tutorial completo sobre o design, veja esta postagem.

Etapas de Design para Placa de Circuito Impresso:

Passo 1: Compreender os Requisitos do Seu Circuito

Antes de mergulhar no software de design, é importante ter uma compreensão clara do circuito que você deseja construir. Comece desenhando um esquema no papel ou usando software como KiCad, Eagle ou EasyEDA. Inclua todos os componentes necessários, como resistores, capacitores, microcontroladores e conectores. Certifique-se de que cada componente esteja corretamente conectado para garantir funcionalidade. Geralmente, o design do circuito começa com papel e caneta, com inspiração em problemas do mundo real. Aqui, no nosso caso, o problema é o longo tempo de carregamento do TP4056.

Passo 2: Escolha um Software de Design de PCI

Para iniciantes, um software de design de PCI com interface amigável é essencial. Escolhas populares incluem KiCad, Eagle e EasyEDA. Esses programas permitem criar esquemas, dispor os componentes e projetar as trilhas que os conectam. Você também pode encontrar bibliotecas de componentes padrão para simplificar o processo. Para manter o processo simples, estamos usando EasyEDA por sua vasta biblioteca e banco de dados online.

Passo 3: Crie o Esquema

Depois de escolher seu software, comece criando o diagrama esquemático. Um esquema é um plano das conexões elétricas, mostrando como os componentes estão ligados. Os esquemas para uma PCI podem ser criados observando o datasheet do CI e organizando todos os componentes de acordo com ele.

Às vezes, precisamos alterar os valores ou tipos de componentes dependendo dos casos de uso. Existem muitas alternativas para um determinado componente. O esquema de exemplo do módulo de carregamento baseado no IP2312 está anexado acima; o circuito está dividido em diferentes partes para aumentar a legibilidade geral e reduzir o tempo de P&D.

Passo 4: Defina o Layout da PCI

Após concluir o esquema, o próximo passo é definir o layout físico da sua PCI. Isso inclui as seguintes etapas:

• Defina as dimensões da placa.
• Posicione os componentes logicamente para minimizar o comprimento das trilhas e otimizar o desempenho.
• Certifique-se de que componentes com orientações específicas, como LEDs ou conectores, estejam corretamente alinhados.
• Evite sobreposição de componentes e garanta espaço suficiente para soldagem.

Aqui, em nosso design, todos os componentes são posicionados próximos uns aos outros para minimizar o comprimento das trilhas. Como estamos usando um fator de forma muito pequeno do TP4056 e empacotando o IP2312 nesse espaço, a orientação dos componentes desempenha um papel importante no roteamento.

Passo 5: Roteie as Trilhas

Agora vem o processo de conectar os componentes com trilhas. Trilhas são os caminhos de cobre que transportam sinais elétricos entre os componentes. Use as seguintes diretrizes:

• Mantenha as trilhas o mais curtas possível para reduzir resistência e interferência.
• Roteie as trilhas de alimentação e terra com cuidado, tornando-as mais largas para melhor desempenho.
• Preste atenção às regras de design, como espaçamento entre trilhas, para evitar curtos-circuitos.
• Use vias para conectar trilhas em diferentes camadas, se necessário em PCIs multicamadas.
• Mantenha em mente a corrente nominal e o fator de dissipação de potência de uma trilha.

O cálculo da corrente nominal das trilhas da PCI pode ser feito por meio de qualquer ferramenta online disponível. As regras de design devem ser cumpridas; o roteamento automático pode ser implementado para reduzir o tempo de desenvolvimento, mas pode não oferecer a mesma confiabilidade.

Passo 6: Adicione Planos de Alimentação e Terra

Para a maioria das PCIs, especialmente aquelas que lidam com corrente significativa, adicionar um plano de alimentação e terra é crucial. Um plano de alimentação distribui energia uniformemente pela placa, enquanto um plano de terra reduz o ruído elétrico. Esses planos são geralmente áreas de cobre sólido que cobrem camadas inteiras da PCI.

Como este é um design de duas camadas, adicionamos planos de terra em ambos os lados para reduzir os ruídos da tensão de entrada. Este plano é cobre puro derramado na placa e une as trilhas do plano GND no nosso caso.

Passo 7: Posicione a Serigrafia e Outras Marcações

Adicione rótulos de serigrafia para identificadores de componentes, números de pinos, logotipos ou marcações regulatórias. A camada de serigrafia é uma ferramenta vital para montagem e solução de problemas, ajudando a identificar componentes e seu posicionamento. Certifique-se de que ela não interfira com pads ou trilhas. Para mais, veja nosso artigo completo sobre um guia abrangente de serigrafia em PCI.

Passo 8: Verifique com a Verificação de Regras de Design (DRC)

Antes de finalizar seu design, execute uma Verificação de Regras de Design (DRC) para detectar erros como problemas de espaçamento ou trilhas não conectadas. A maioria dos softwares de design de PCI inclui uma ferramenta DRC, que ajuda a garantir que o design atenda às especificações do fabricante e esteja livre de erros.

Passo 9: Gere Arquivos Gerber

Após concluir e verificar seu design, você precisa exportar arquivos Gerber. Esses arquivos contêm as informações necessárias para que os fabricantes produzam sua PCI. Cada camada da sua PCI (por exemplo, camadas de cobre, serigrafia, máscara de solda) será representada nesses arquivos.

Vantagens de Usar o EasyEDA:

O EasyEDA é uma ferramenta versátil para engenheiros eletrônicos, entusiastas e estudantes, permitindo design, teste e validação rápidos e eficientes de circuitos. Sua interface amigável e recursos únicos o tornaram uma escolha popular.

• Integração com Outras Ferramentas: O EasyEDA suporta múltiplos formatos de arquivo como Altium, Eagle e KiCad, tornando a importação/exportação de designs perfeita. Ele também se integra a plataformas de nuvem como Dropbox e Google Drive para fácil compartilhamento e backup de projetos.
• Baixo Custo: O EasyEDA é econômico, oferecendo opções gratuitas para projetos pequenos e planos premium acessíveis para recursos avançados.
• Visualização 3D: Com seu recurso de visualização 3D, os usuários podem ver os designs de PCI em tempo real, ajudando no posicionamento de componentes e na identificação de possíveis problemas de design.
• Captura de Esquema e Design de PCI: Os usuários podem projetar tanto esquemas quanto PCIs na mesma plataforma, com ferramentas para importar designs ou criar novos do zero.
• Grande Biblioteca de Componentes: O EasyEDA oferece uma extensa biblioteca de componentes, incluindo resistores, capacitores, transistores e CIs. Os usuários também podem criar ou importar componentes personalizados.

Conclusão:

Finalmente, uma vez que você tenha seus arquivos Gerber, pode enviá-los a um fabricante de PCI. Muitos fabricantes oferecem ferramentas de orçamento online onde você faz upload dos arquivos, escolhe as especificações da placa (como material e espessura) e faz seu pedido.

Designar uma PCI pode parecer intimidador no início, mas seguindo esses passos, até iniciantes podem criar placas de circuito funcionais e bem projetadas. A prática é fundamental: com o tempo, você desenvolverá habilidades para otimizar layouts, minimizar ruídos e produzir designs de alta qualidade. Feliz design.