214891300 Confeccao de Pci Versao And1

PUCRS FENG DEE 2005/II

Laboratrio de Processadores

Prof. Anderson Royes Terroso www.aterroso.com

Dicas para elaborar um layout de um placa de circuito impresso (PCI)

Este material foi desenvolvido com o objetivo de apresentar algumas dicas que

sero teis na elaborao de uma placa de circuito impresso. Neste documento no ser abordado uma ferramenta de CAD (Computer Aided Design) em especfico.

Um projeto completo de uma PCI passa por algumas etapas, so elas:

Elaborao do circuito: esta etapa compreende no desenho do circuito eletrnico.

Determinao dos valores dos componentes: alguns exigem clcu-los, outros so indicaes de fabricantes.

Elaborao do layout: o layout consiste na organizao dos compo-nentes no espao fsico de uma placa, ou seja, a disposio dos mesmos, e nesta etapa precisamos ter um cuidado redobrado, pois a colocao de um componente de forma equivocada pode inviabilizar o uso da placa, assim como trazer um mau funcionamento do circuito. Portanto, esta e-tapa precisa ser elaborada com o mximo de cuidado e ateno. Este material dar algumas dicas e alguns erros freqentes no processo de elaborao do layout.

Confeco da placa de circuito impresso: depois do layout finalizado, os arquivos gerber (combinao de comandos grficos utilizados pelo equipamento fotoploter para a formao das imagens da placa de circui-to impresso, e que pode ser gerado a partir de qualquer programa para projeto de PCI) so encaminhados para a fabricao da placa em uma empresa especializada.

Montagem: consiste em fazer a solda dos componentes. Nesta etapa, podemos verificar se o layout, em termos de disposio dos componen-tes ficou acessvel. Muitas vezes nesta etapa, descobrimos que o push-buttom ficou muito prximo de um capacitor, o que dificulta o acesso ao interruptor. Esses detalhes que precisamos tomar muito cuidado na hora de elaborar um layout.

Teste: esta etapa encerra um ciclo, fazendo o check-up final de todo o processo, testando-se o funcionamento de cada componente, ou seja, se o sistema possui um display, ser feita a escrita no mesmo, se existe um rel, ser feito o acionamento e assim por diante, precisamos garantir que todas as etapas anteriores foram executadas de forma correta.

Antes de serem apresentadas algumas dicas para a elaborao de uma PCI,

importante esclarecer alguns termos frequentemente utilizados, como por exemplo: layer, pad, via, mils, etc... A seguir voc encontrar uma lista dos termos mais utiliza-dos e seus respectivos significados.

Layer O layer consiste nas faces de uma placa de circuito impresso. Podemos

ter uma placa face simples, ou seja, um layer. Isso significa que tere-mos trilhas (conexes) em um lado da placa (fenolite ou fibra material usado em PCIs). Uma placa com dois layers, tambm chamado de placa dupla-face, ou seja, teremos trilhas tanto na parte de cima da placa,

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como embaixo. Chamamos o layer de cima de TOP e o layer de baixo de BOTTOM. Existem projetos que requerem placas multi-layers, so pla-cas que possuem camadas intermedirias entre TOP e BOTTOM, seria uma forma de sanduche de placas. A escolha pelo nmero de layers depende do projeto, existem projetos que com uma face simples se pode elaborar um layout de uma PCI, mas outros requerem uma face-dupla. Existem projetos complexos que exigem vrias camadas (multi-layers), mas para isso, preciso verificar custos e empresas especiali-zadas que realizam este tipo de placa.

Footprint Footprint a mscara de um componente. Note que na ferramenta on-de desenhamos o esquemtico, a representao grfica (desenho) do capacitor no muda com a capacitncia do mesmo, mas na hora de fa-zermos o layout, isso dever ser levado em considerao, pois um ca-pacitor de 1uF no tem o mesmo tamanho de um capacitor de 1000uF. Portanto, o footprint a mscara do componente real, enquanto que a representao grfica usada no esquemtico s uma simbologia uni-versal. A Figura 1 exemplifica a representao grfica e o footprint de um capacitor e um resistor.

FIGURA 1 Representao grfica e footprint.

Trilha a conexo fsica entre um terminal de um componente e o outro. Em uma prontboard isto feito com fio. A espessura da trilha depende da corrente eltrica, assim como a bitola do fio utilizado em instalaes eltrica tambm depende da corrente eltrica. Como a trilha tem uma espessura muito pequena, pois trata-se de uma fina camada de cobre depositada sobre a placa de fenolite ou fibra, ento precisamos estipu-lar a largura da trilha.

Mils Mils uma unidade muito usada e significa a milsima parte de uma polegada, ou seja, uma medida bem pequena, mas quando tratamos de largura de trilha, tamanho de via, etc... recomenda-se o seu uso.

1mils 0,0254mm Ento quando dizemos que a espessura de uma trilha tem que ter 40mils, estamos dizendo que ela tem aproximadamente 1mm.

Via um furo metalizado que faz a passagem de uma trilha (ligao eltri-ca) que corre de um layer para o outro. Ento a via o caminho de passagem de uma trilha de um layer para o outro.

PAD O pad (ilha) consiste em um furo metalizado que serve para fixar (sol-dar) os terminais dos componentes. Quando realizamos um projeto de uma placa em uma ferramenta de CAD, devemos determinar o tamanho dos pads, isto porque temos tamanhos diferentes. Os leads (terminais) dos componentes apresentam dimetros diferentes, por exemplo, o lead de um diodo de potncia no tem o mesmo dimetro de um lead de um resistor de 1/8 watt. Portanto, devemos determinar o dimetro externo e interno do pad (a diferena entre os dois dimetros, ser o tamanho da borda de cobre para soldar o terminal).



Exemplo de pads Resistores (1/8 watt) e capacitores (baixa tenso e baixa capa-citncia): top/bottom = 51mils e drill (furo broca) = 31mils (resta uma borda de 10mils de cobre para soldar o componente). Diodos: top/bottom = 59mils e drill = 39mils. Barra de pinos: top/bottom = 59mils e drill = 39mils. Plugue P4 (plugue da fonte de alimentao): top/bottom = 158mils e drill = 118mils Rels e KREs: top/bottom = 118mils e drill = 78mils Furo de fixao: top/bottom = 118mils e drill = 118mils portanto no tem borda de cobre as duas dimenses so iguais. Em caso de dvida, utilize um paqumetro para fazer a medida correta do dimetro interno e utilize pelo menos 20mils entre top/bottom e drill. Por exemplo, o furo precisa ter 40mils, logo o dimetro externo ter que ter no mnimo 60mils. Claro, se o furo interno muito grande, a borda precisa ser maior, pois a quantidade de estanho a ser utilizado para fixar o lead precisa ser maior. Portanto, no uma regra e sim uma dica para furos pequenos, at 40mils de dimetro interno. OBS.: o ideal padronizar os furos, ou seja, se existe uma pequena diferena entre o furo de um componente e de outro, se escolhe o mai-or e adota-se este, isto porque cada tamanho diferente de furo, nova broca dever ser utilizado.

FIGURA 2: Diferena entre PAD e VIA.

Note que os pads no so do mesmo tamanho, isso se de-ve a bitola do (leads) termi-nal ser diferente. Assim, co-mo a espessura das trilhas. Note que a via faz a passa-gem da trilha do layer top para o layer bottom. A via no um pad e sim um furo de passagem. A via coloca-da automaticamente pela ferramenta de CAD, durante o processo chamado rotea-mento. O roteamento consis-te em fazer conexes entre cada componente de forma automatizada.

1) Tamanho dos componentes: Um bom layout passa pelo o uso de footprint (ms-cara dos compontes) adequados. Um resistor, por exemplo, de 1/8watt no tem o mesmo espaamento dos leads (terminais) de um resistor de 5watts. Assim, como um capacitor eletroltico, tem diversos tamanhos. Para isso, precisamos conhecer previa-mente os componentes, para saber qual mscara ser utilizada. Por isso, uma dica usar um paqumetro para fazer as medidas ou utilizar um gabarito, por exemplo, uma barra de pinos (Figura 3a) tem distanciamento de 100mils, entre cada terminal. Por-tanto, pela figura podemos constatar que o capacitor de 33pf tem distancia entre leads de 200mils, assim como o capacitor de 0,1F. J o resistor, apresenta uma distncia de 300 a 350mils.



(a)

(b)

FIGURA 3: Em (a) apresentado uma barra de pinos servindo de gabarito para determinar a distncia entre os leads dos componentes. Em (b) mostrado a ms-cara de vrios componentes, sendo que para os capacitores temos diferentes tama-nhos, assim como para diodos, resistores, etc..

Na Figura 4, ilustrado outros componentes e suas respectivas distncias entre os leads. A figura abaixo ilustra a medida de um indutor (300mils), um cristal (200mils), um capacitor de 39pF (200mils), um led (100mils), um capacitor de 10F (100mils) e capacitor de 27nF (200mils).

FIGURA 4: Novamente uma barra de pinos foi utilizada como gabarito para fazer a medidas dos componentes. Tanto o espaamento dos terminais, como tambm para determinar o tamanho do invlucro, espao ocupado, etc.. 2) Largura das trilhas: Assim como em instalaes eltricas, onde as fiaes apresentam diferentes bitolas (tomadas, chuveiros, iluminao, etc..), no projeto eletrnico precisamos di-mensionar a largura das trilhas, dependendo da corrente eltrica. Como no podemos mudar a espessura da trilha, pois toda a placa de fibra ou fenolite tem a mesma es-pessura de cobre, portanto o que se faz mudar a largura das trilhas. Em alguns sites,



comentado uma relao de 1mm (40mils) para cada Ampr, ou seja, se o circuito exige uma corrente de 2A, ento a trilha dever ter 2mm (80mils) de largura.

Entretanto, existe um grfico (Figura 5) que relaciona corrente eltrica, espes-sura do cobre, largura do cobre e temperatura.

Por exemplo, deseja-se fazer uma trilha para uma corrente de 2 Ampr, gradi-ente de temperatura de 30oC acima da ambiente, espessura do cobre de 1oz (1oz 35m, 1,378mils), qual a trilha que deve ser utilizada? Fazendo a anlise grfica, che-gamos a uma largura de 20mils da trilha. Agora se fizermos mesma anlise conside-rando um gradiente de temperatura de 10oC acima da ambiente, teremos uma largura de trilha de aproximadamente 80mils, o que equivale primeira relao passada. O site da empresa Micropress, faz o clculo automtico da largura da trilha, consulte:

http://www.micropress.com.br/portugues/pistas_calc.asp

FIGURA 5: Grfico para determinar a largura da trilha de cobre.




1mils = 0,0254mm 1oz = 35m = 1,378mils

A Figura 6, ilustra algumas situaes onde a largura da trilha influencia muito, tais co-mo sada de potncia (reles, motores de passo, etc..).

(a)

(b)

FIGURA 6: Em (a), temos algumas trilhas mais largas, pois so trilhas que conectam os rels aos terminais de sada. Em (b), as trilhas mais largam so usadas nos drivers de corrente para motor de passo.

2) Fonte de Alimentao.

(a)

(b)

(c)

(d)

FIGURA 7: Essas fotos ilustram o plugue P4 utilizado nos kits de laboratrio. Note que a furao maior que os furos dos outros componentes. Alm disso, precisa ter uma borda de cobre maior, para fazer a solda que resista as constantes conexes.

Os pads do conector plugue P4 devem ser grandes o suficiente para permitir o encaixe perfeito. Um tamanho aceitvel para estes pads so 158mils top/bottom e 118mils drill. A Figura 7, mostra o footprint e o componente plugue P4. O regulador de tenso LM78XX exige um furo para os seus terminais, maior que a maioria dos furos convencionais (Figura 8.a), alm disso, devemos reservar uma rea livre de conexes para a fixao do dissipador de calor (Figura 8.c). Estes kits usados no laboratrio dissipam uma potncia razovel, por isso, devem-se usar um dissipador grande (2,7cm x 3,0cm). A rea livre de conexo tem a finalidade de evitar um conta-to do dissipador com trilhas da placa (Figura 8.b). No esquea de colocar os capacito-res da fonte, bem prximo do regulador de tenso.


(a)

(b)

(c)

capacitor

led

Ponte diodos

regulador Plugue P4

FIGURA 8: Nestas figuras, note que os componentes relacionados com o regulador, ficam prximos. A ponte de diodos (circuito de proteo contra inverso de polarida-de), capacitores de filtragem, led indicativo de on-off, regulador de tenso e o plu-gue P4 ficam prximos. Portanto, sempre que possvel agrupe os componentes que atuam juntos. A figura ao lado mostra um outro circui-to, onde novamente os componentes referentes ao regulador de tenso, tam-bm ficam prximos. Este regulador no requer dissipador de calor, isto porque se trata de um regulador chaveado da Texas (PT5101A 5Volts @ 1A).

3) CPU MSC1211Y5 CLOCK e CAPACITORES DE FILTRO. Neste projeto, uma parte considerada crtica o posicionamento do cristal. Conforme a Figura 10.b, podemos constatar que o cristal e os capacitores do cristal ficam muito prximos dos pinos 1 e 2 do MSC1211. O cristal vai conectado a estes dois pinos. Por-tanto, o cristal DEVE ficar o mais prximo desses pinos e NO coloque os capacitores afastados do mesmo. Outro detalhe so os capacitores de filtro utilizados. Os capacitores devem ficar prxi-mos dos pinos os quais esto conectados. No coloque os capacitores distantes, pois perdem a sua finalidade de filtrar rudos nas trilhas prximas do microprocessador.

(a)

(b)

FIGURA 10: Posicionamento dos capacitores de filtro, cristal e capacitores do cristal.

CristalCapacitor

cristal

Capacitor de filtro




4) Circuito de Reset. O circuito de reset tambm deve ficar prximo da CPU. Os componentes que fazem parte do reset, push-buttom, capacitor e resistor, devem ficar prximos.

FIGURA 11: Circuito de reset.

6) Porta Serial RS232. O conector usado na comunicao serial RS232 o DB-9 macho (Figura 12.a). Cuidado na hora de fazer o layout para no colocar esse componente virado. Note que os qua-tro pinos so voltados para a borda da placa (Figura 12.b). Outro detalhe importante, colocar os componentes relacionados com a serial prximos. Na Figura 12.c, vemos o driver da RS232 prximo dos capacitores e leds sinalizadores de transmisso e recep-o. No coloque esses componentes distribudos na placa, coloquem prximos da se-rial, como mostra a figura. Um outro conector utilizado nos kits o PS2 (Figura 13).

(a)

(b)

(c)

FIGURA 12: Conectores usados para a comunicao RS232 (a). Layout do conector DB-9 macho na PCI (b). Layout dos componentes referentes a comunicao serial (c).

DB9 para placa

DB9 para cabo

Drive RS232, ca-pacitores e leds de sinalizao.

Os quatros furos ficam para a borda da placa.

Furo metalizado Para fixar o DB9

Furo metalizado


(a)

(b)

FIGURA 13: Footprint do conector PS2 (a) e o respectivo conector (b). 7) Porta I2C. O conector usado na comunicao serial I2C consiste em uma barra de 4 pinos macho. A Figura 14.a mostra o footprint deste conector e na Figura 14.b, a foto da barra de pinos.

(a)

(b)

FIGURA 14: O conector usado na comunicao serial I2C. 8) Display LCD O display utilizado nos kits de laboratrio, normalmente de 16x2, 16x4 ou 20x4 (Fi-gura 15.a e Figura 15.b). Indicamos que a montagem do display fique para dentro da placa, conforme mostra a Figura 15.c e Figura 15.d. Neste tipo de montagem, temos que ter um cuidado redobrado, pois alguns componentes NO PODEM ficar de forma alguma embaixo do display, tais como: rels, push-buttom, dissipador, jumper, trim-pot (Figura 15e e Figura 15.f para ajuste do contraste do display de LCD), leds, ca-pacitores, ou seja, nenhum componente que tenha uma altura maior que a distancia do display da placa ou que precise ser constantemente pressionados ou modificados. A Figura 15.c e a Figura 15.d, mostram um exemplo de display montado sobre a placa, sem causar nenhum tipo de problema a placa.

(a)

Note que a barra de pinos no display 16x2, fica na parte inferior e a numera-

(b)




o da direita para esquerda. Enquanto que o display 16x4 e o 20x4, a barra de pinos fica na parte superior do display, e a numerao da esquerda para a direita. Portanto, antes fazer o layout da placa, necessrio saber qual o display ser empregado no projeto.

(c)

Nesta figura, podemos observar que a barra de pinos usada para fixar o display, uma barra de pinos fmea. Neste proje-to, o display ficou montado sobre a placa, e precisa ter um cuidado especial com alguns componentes, como potencime-tro, capacitores, leds, push-buttom, jum-pers, reles, ou seja, componentes que necessitem uma interveno do usurio para regulagem ou ajuste.

(d)

A figura acima, mostra alguns desses componentes e a sua localizao aps a instalao do display de LCD 16x4.

(e)

(f)

9) Sada de udio. A sada de udio usada nos projetos de Lab. De Processadores, um buzzer auto-oscilveis (Figura 16.a e Figura 16.c). O footprint dele muito semelhante de um ca-pacitor com espaamento de 300mils entre os terminais (Figura 16.b).

(a)

(b)

(c)

FIGURA 16: Componente de udio (buzzer) e o seu respectivo footprint.



10) Conector PS2. Como j foi mencionado anteriormente, estes kits tambm possuem uma interface PS2 e o conector deve ser montado da forma apresentado na Figura 17.a.

(a)

(b)

FIGURA 17: Footprint do conector PS2 e o conector para placa mini-dim 6 pinos. 11) Teclado. O teclado consistem em 4 ou 5 teclas push-buttom. Elas podem ser colocadas em linha como mostram as Figuras 18.a e 18.b, porm no caso de 5 teclas, podemos adotar uma outra configurao (Figura 18.c)

(a)

(b)

(c)

FIGURA 18: Teclado push-buttom. 12) IrDA & RF.

(a)

(b)

(c) FIGURA 19: Receptor e Transmissor da WhenShing (a). O transceiver da WhenShing (b). O IrDA TFDU4100 da Vishay (c).


13) Driver de Potncia.

(a) (b)

(c)

Um detalhe importante que podemos notar na figura (b), que a largura das trilhas est compatvel com a corrente requerida pelo circuito, porm o espaamento entre as mesmas irrisrio, ou seja, o isolamento entre as trilhas muito pequeno, por-tanto recomenda-se o uso de espaamento igual a largura da trilha, por exemplo, se a trilha for de 40mils, ento o espaamento dever ser de 40mils.

Neste outro exemplo, o distanciamento entre as trilhas e os demais obstculos, trilhas, plano de terra, pads, vias, j maior, evitando assim um curto circuito ou




algo que possa causar algum dano ao circuito. 14) Sada de Reles. Os reles tambm exigem uma trilha mais larga e um espaamento entre as mesmas da mesma largura da trilha. Cuidado com os footprint dos KRE (conectores cinzas com parafuso para fixar os fios) e o rele, pois ambos possuem pinos bem mais grossos que o normal.

15) Conector de I/O. Os conectores de I/O ou expanso devem ficar na periferia da placa. Consistem em barras de pinos machos. Se for colocada uma rea de wire-up, ento estes conectores devem ficar prximos. Do contrrio, nunca os coloque no meio da placa.

Barras de pinos - conectores de I/O

Wire-up

FIGURA : Conectores para expanso. 16) Conector de Smart Card. O Conector de Smart Card est mostrado na figura abaixo.

Uma idia de layout para a placa de 2005/II, a montagem do display em uma face da placa e na outra o conector de smart-card. Desta forma, reduziramos considera-velmente a rea de placa. A Figura abaixo, tenta demonstrar essa idia. Qualquer d-vida consulte os professores da disciplina.

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