Corrientes Altas y Temperaturas Más Altas: Consejos de Diseño de PCB para la Gestión del Calor

Recuerdo la primera vez (y ojalá la única) que uno de mis circuitos se incendió. Comenzó con las resistencias y se extendió rápidamente a un condensador cercano. Afortunadamente, la destrucción fue menor y la mayoría de los componentes se pudieron salvar. ¿Preguntas por qué pasó esto? No, no se debió a un cortocircuito. Muy simple, no tomé en cuenta la alta corriente en mi software de diseño de PCB.

A medida que la electrónica sigue siendo miniaturizada, las demandas térmicas en estos sistemas aumentan a medida que se incorporan más funciones en dispositivos más pequeños. Esto es especialmente cierto en los circuitos impresos de PCB que funcionan a alta corriente. Los sistemas de energía con alto rendimiento, como las baterías Li+ion que se utilizan en los vehículos eléctricos, requieren sistemas de administración de energía integrados que se basan en PCB. Los diseñadores deberán implementar estrategias creativas para administrar el calor generado en PCB de alta corriente.

El calor generado por la pérdida de energía en los circuitos de alta corriente debe alejarse del dispositivo para combatir el aumento de temperatura. Probablemente todos estén familiarizados con los ventiladores y los disipadores de calor utilizados en los procesadores de ordenadores. Estos sistemas esencialmente mueven el calor de la placa y lo intercambian con aire en movimiento. Pero en algunos dispositivos PCB, especialmente en dispositivos con factor de forma pequeña, la incorporación de un ventilador o un disipador de calor voluminoso puede no ser posible.

Cobre más Pesado para Corrientes más Altas: Consejos de Diseño de PCB

La resistencia de las trazas y vías de cobre representan una pérdida significativa de energía y generación de calor en dispositivos basados en PCB, especialmente cuando llevan una corriente alta. Las conexiones eléctricas con un área de sección transversal más grande tienen menor resistencia, lo que reduce la cantidad de energía perdida por el calor.

Cuando no se puede usar software de PCB gratuito e integrar ventiladores o disipadores de calor, una PCB con alta corriente debe usar al menos el doble de esta cantidad de cobre. Los circuitos que operan a más de 10 amperios deben llegar a 3 o 4 oz. por pie cuadrado.

El uso de una gran cantidad de cobre requerirá que se aumente el ancho de las trazas en el PCB. Para evitar la pérdida de área utilizable, los trazos se pueden colocar más adentro de la placa. Esto también ayudará a disipar el calor en la placa y en cualquier vía térmica cercana. Por supuesto, esto probablemente requerirá el uso de una placa más gruesa, que puede ser deseable en dispositivos de alta corriente.

Vias Termales y Descargas

El calor no se puede intercambiar de manera eficiente con aire estancado alrededor de un dispositivo caliente. Sin embargo, el calor puede transferirse de los componentes eléctricos críticos de la placa mediante vías térmicas. Una vía térmica es un buen conductor de calor que se extiende entre la parte superior e inferior de la placa . El calor se transfiere a una vía térmica mediante una conducción simple, y la vía térmica permite que el calor se aleje de los componentes electrónicos críticos.

Una descarga térmica es básicamente una placa metálica montada en la parte inferior de la placa. Después de que las vías térmicas transportan el calor lejos de los puntos más calientes de la placa, debe ir a otro lugar para mantener la disipación de calor de los puntos calientes en la parte superior de la placa. Las vías térmicas transportan calor al aterrizaje térmico. Idealmente, la descarga térmica debería estar ubicado en una parte de la placa que no sea un punto de fallo.

^{Imagen infrarroja de un dispositivo PCB que se ejecuta a alta corriente}

Colocación de Componentes de Alta Potencia

Los componentes electrónicos de alta corriente como los microcontroladores pueden generar una cantidad significativa de calor. Es una buena idea montar estos componentes cerca del centro de la placa al diseñar el diseño de la placa de circuito impreso. Esto es especialmente cierto para los componentes semiconductores que usan un paquete de estilo PowerPAD.

Si un componente se monta cerca del borde de la placa, el calor que genera se acumulará y la temperatura local puede ser muy alta. Pero si el componente se monta en el centro de la placa, el calor puede difundirse en toda la placa y la temperatura de la placa será más baja.

Deben distribuirse múltiples componentes de alta potencia en toda la placa en lugar de agruparse en una sola ubicación. Incluso puede ser preferible separar los componentes entre diferentes tarjetas, siempre que el factor de forma del dispositivo pueda acomodar esto. Siempre ten en cuenta la ubicación de los componentes, ya que puede tener un gran impacto en tu presupuesto de fabricación.

 

^{Componentes dispuestos en un PCB}

Tableros más Gruesos

La vida útil de las conexiones eléctricas, los componentes y la placa misma se acortará cuando el dispositivo funcione a temperaturas extremas. La industria del hardware informático ha reducido este problema utilizando ventiladores de refrigeración. Pero cuando un ventilador no se usa para enfriar, la mayor parte del calor se conduce directamente a la placa y a los componentes circundantes. Si la placa es muy delgada, todo puede calentarse hasta una temperatura alta.

Una  placa más gruesa requerirá más energía térmica para calentarse hasta una temperatura alta. Esto ayuda a mantener baja la temperatura en la parte superior de la placa. Si la placa se monta directamente en el embalaje, el calor puede conducirse hacia el exterior del dispositivo. La compensación con esta solución es que los costos de producción serán más altos.

Las mejores estrategias de disipación de calor a utilizar dependerán de varios factores. No todos los diseños o factores de forma pueden acomodar todas las estrategias descritas anteriormente. Por ejemplo, las descargas térmicas  no son adecuados para PCB de doble cara. Si hay una gran cantidad de componentes en la placa, algunos de ellos se colocarán inevitablemente cerca del borde del tablero.

El paquete de software Altium Designer^® tiene una funcionalidad avanzada que puede permitirte viualizar posibles puntos calientes en tu PCB. La herramienta PDN Analyzer^™  permite a los diseñadores identificar áreas problemáticas que pueden conducir a fallos en dispositivos de alta corriente. Habla con un experto en Altium para aprender más.