Guía de diseño de fuentes de alimentación para PCB

No es habitual diseñar una PCB sin un elemento de alimentación, pero que se trate de un componente común no significa que no plantee retos para el diseño de la PCB. Hay dos variantes principales a considerar en el diseño de fuentes de alimentación: las fuentes de alimentación lineales y las fuentes de alimentación conmutadas. Cada una de ellas plantea sus propios desafíos a la hora de determinar el diseño de la fuente de alimentación en la PCB.

Fuentes de alimentación lineales

Los circuitos de las fuentes de alimentación lineales son de naturaleza simple, con pocos componentes y fáciles de montar en una PCB. El reto es que estos circuitos son poco eficientes, lo que obliga a gestionar importantes pérdidas de potencia en forma de energía térmica radiada y conducida. Este problema puede resultar complicado cuando los componentes sensibles a la temperatura están montados en la PCB o encerrados en una carcasa sellada para su protección, lo que limita las opciones de refrigeración.

Fuentes de alimentación conmutadas

En las PCB, los circuitos de las fuentes de alimentación conmutadas son más complejos que los de las lineales, sin embargo, son significativamente más eficientes. Esto es estupendo, ya que reduce el tiempo de ingeniería del diseñador de PCB que se ocupa de la gestión térmica, aunque, por desgracia, conlleva otra serie de problemas. El circuito de conmutación tiene el potencial de generar niveles significativos de ruido electromagnético, que el diseñador de la PCB deberá gestionar. Este ruido eléctrico puede afectar a otros elementos del circuito de la PCB y emitirse más allá de la placa, afectando a los equipos cercanos. En casos extremos, el ruido generado por el circuito de alimentación de la PCB puede ser conducido de vuelta a través del cableado de la red eléctrica y afectar a otros dispositivos conectados a esa misma red.

Otro posible problema relacionado con el ruido es que los circuitos conmutados tienden a generar una tensión de ondulación en la salida que, si no se gestiona correctamente, puede inducir interferencias en la placa a través del acoplamiento capacitivo o inductivo entre pistas que discurren en paralelo o entre cables agrupados. Un último problema, más sutil, es la posibilidad de que se produzca un rebote a tierra en la PCB donde está montado el circuito de conmutación. La conmutación rápida puede provocar un cambio transitorio del potencial de tierra en el punto de la placa donde los componentes de conmutación se conectan al plano de tierra. Esto provoca una diferencia de potencial temporal en el plano de tierra de la placa. En un caso extremo, la diferencia puede dar lugar a que los componentes de una parte distante de la placa perciban y reaccionen a una señal resultante de esa falsa diferencia de potencial.

Directrices para el diseño y disposición de fuentes de alimentación en la PCB

Conexión a tierra

A menos que el espacio sea limitado, vale la pena que el diseño de la placa de PCB incluya un plano de tierra sólido para la fuente de alimentación para proporcionar apantallamiento electromagnético. Si no es posible dedicarle una capa entera, considera como mínimo un polígono de tierra que cubra toda la zona bajo los componentes de la fuente de alimentación de la PCB.

El plano de tierra para el diseño de la fuente de alimentación de la PCB debe estar separado de la tierra común del resto del circuito para minimizar los efectos del acoplamiento de ruido. Además, la conexión entre estas dos tierras debe limitarse a un punto de la placa a fin de evitar los bucles de tierra.

Conductividad de las pistas

Mantén las pistas de los circuitos de alimentación de la PCB lo más cortas y anchas posible para reducir las pérdidas resistivas y las emisiones de ruido electromagnético. Cuando el espacio lo permita, la recomendación es utilizar vertidos de polígono. Esto es particularmente relevante para fuentes de alimentación lineales donde la conductividad térmica puede ser crítica.

En el diseño de fuentes de alimentación para PCB, sería mejor incluir capas internas de relleno sólido que utilicen vías para la conexión de planos de potencia y tierra en el diseño de la placa para lograr el máximo efecto. Debe evitarse el uso de vías para hacer que las pistas de la alimentación de la PCB pasen de una capa a otra, ya que la vía actuará como un punto de mayor impedancia. Las múltiples vías que enlazan polígonos ofrecen una mejor solución.

El rendimiento se verá afectado por el grosor de las capas de cobre, aunque aumentar el grosor conlleva un sobrecoste, por lo que puede ser necesario encontrar un equilibrio entre coste y rendimiento.

Otra opción para aumentar la conductividad es añadir una capa de soldadura a las capas exteriores de la placa mediante cambios en la máscara de soldadura. Sin embargo, es posible obtener un mejor rendimiento añadiendo barras de bus a la PCB o cables externos entre los puntos de la placa en los que se montan los componentes del diseño de la fuente de alimentación de la PCB.

Colocación de los componentes

Debido a la necesidad de que las pistas sean lo más cortas posible, los componentes de la fuente de alimentación de la PCB deben colocarse lo más cerca posible unos de otros y con la orientación óptima para conseguir longitudes de pista cortas. Para lograrlo, se pueden montar componentes a ambos lados de la placa.

Enrutamiento de pistas

Lo ideal es que las pistas que transportan señales sensibles se enruten lejos de las fuentes de alimentación, en una capa de la placa no conectada y separada de las pistas de diseño de la fuente de alimentación de 12 V de la PCB por un plano de tierra. Las pistas de señal nunca deben ir en paralelo a las de alimentación que transportan energía a fin de evitar el acoplamiento de ruido entre la fuente de alimentación de la disposición y la señal. Si la proximidad es inevitable, las pistas de señal deben cruzar las pistas de alimentación de la PCB a 90 grados para minimizar los efectos del acoplamiento de ruido.

Gestión térmica

Todos los circuitos de alimentación de la distribución generan calor, por lo que el diseño de la placa deberá incluir la gestión térmica. Por lo tanto, la primera consideración a tener en cuenta en el diseño de PCB debe ser la colocación de los componentes para separar, si es posible, los componentes que generan calor de los que son sensibles al calor, manteniendo al mismo tiempo unas longitudes de pista cortas.

La siguiente consideración es utilizar el cobre de la placa para proporcionar conductividad térmica y distribuir el calor de forma más uniforme, lejos de los puntos calientes y hacia zonas que permitan la disipación del calor.
Un posible problema con el diseño de las fuentes de alimentación conmutadas para PCB es que el circuito de control de retroalimentación suele contener componentes sensibles a la temperatura que necesitan colocarse con los componentes de conmutación que generan calor. Si no se controlan, los puntos calientes pueden provocar inestabilidad en el diseño de la fuente de alimentación para PCB y agravar los problemas térmicos.

Resumen

Las fuentes de alimentación pueden ser el origen de la mayoría de los problemas térmicos y de ruido en una PCB, por lo que el diseño de la placa debe tenerlo en cuenta desde el principio. Un buen diseño de placa empieza con un buen diseño de fuente de alimentación para PCB.

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