Optimice los rangos de potencia de los componentes con reglas de diseño integradas

^{Fuente de la imagen: usuario de Flickr nic_r (CC BY 2.0)}

Recuerdo mi primer diseño de circuito que falló durante las pruebas. Fue un diseño aprobado que ya había pasado una prueba previa, por lo que estaba realmente sorprendido cuando escuché las noticias por parte de mi gerente de que la prueba había fallado. El rumor fue "se prendió fuego". Raramente un circuito electrónico produce una llama; es más probable que produzcan humo. De cualquier manera, la marca de la quemadura en mi PCB contó la historia: un transistor se sobrecalentó al punto de que térmicamente aumentó de forma descontrolada y produjo humo. ¿Pero cómo? Era un diseño probado. ¿Que había cambiado?

Luego de una breve investigación, el circuito probó ser el mismo. Los mismos componentes, las mismas entradas y salidas, incluso el mismo lote y fabricante. La única cosa que había cambiado era el diseño del PCB. Cuando diseñe esta tarjeta, se debía ajustar la forma para que encajara en el ensamblado mecánico. El cobre que rodeaba el transistor de potencia era originalmente de una pulgada cuadrada. En este diseño, se recortó al menos un tercio. Debido a restricciones de espacio, otros componentes que generaban potencia se posicionaron en el PCB más cerca de lo ideal. Ambos factores generaron demasiado calor para que esta pequeña cantidad de cobre lo disipara, lo que contribuyó a un fallecimiento prematuro de mi transistor.

Mantener una lista de reglas de diseño para cuantificar los componentes críticos

La transferencia de datos es casi siempre el cuello de botella más grande y donde más se pierde tiempo en el lugar de trabajo. En un mundo perfecto, todos los diseñadores diligentemente tomarán notas cuando construyen sus diseños originales, con el fin de que se preserve su proceso de pensamiento. Sin embargo, es raro el caso ya que a) es tedioso y b) las notas se pierden. La trampa es que en papel es mucho más eficiente reutilizar diseños examinados, pero si se han olvidado varios de los parámetros de diseño críticos, ya sea debido a la mala toma de notas o a una transferencia incompleta de datos, se perderá tiempo adivinando y verificando parámetros de diseño. Integrar algunas reglas de diseño ayudará a que los pequeños cambios no devasten un diseño y a ahorrar tiempo para los equipos de diseño. A continuación, se indica la forma correcta de hacerlo desde el principio:

Crear e integrar reglas de diseño para que duren para siempre

Amo las reglas que tienen sentido, por lo que es importante definir las limitaciones de la disipación de potencia antes de asignar reglas de diseño para gestionarlas. La mejor manera de hacer esto es hacer una hoja de datos. Una hoja de datos bien hecha tendrá al menos tres clasificaciones de potencia que van desde los mejores a los peores escenarios.

1. El primer rango será la potencia que el componente solo disipará en el espacio libre. Esto se puede considerar el peor caso de disipación de potencia.

2. El segundo rango debe ser la disipación de potencia del componente cuando se suelda al cobre de FR-4 del PCB en un modo "típico", siendo el término "típico" subjetivo. Este valor de potencia se puede considerar como promedio, pero se debe verificar de forma empírica cuando sea posible.

3. El tercer caso es el mejor caso de disipación de potencia. Esto se logra cuando el componente está perfectamente montado a una pulgada cuadrada de dos onzas de cobre. Para este valor se debe considerar un valor teórico que es poco probable de conseguir.

Este valor de disipación de potencia utilizado en el cálculo debe ser una cuestión de criterio en algún punto entre el caso el típico y los mejores casos.

Ahora que sabe la cantidad de potencia que necesita disipar, puede crear una regla. De esta manera, cuando alguien utiliza su diseño, puede que no necesiten verificar su hoja de datos original. Esto no quiere decir que debe dejar de ser prevenido y mal documentar sus hojas de datos, sino que sirvan como respaldo para futuras aclaraciones de sus diseños. El software de diseño moderno con  librerías de componentes puede ayudar a ahorrar tiempo al evaluar los componentes, y permitir a los usuarios adjuntar reglas a componentes específicos. Sé que yo preferiría "depurar" mi diseño si el diseño no proporciona un disipador de calor adecuado cuando aún es virtual y no puede prenderse en fuego.

Otros trucos térmicos

Las reglas de diseño integradas son la solución obvia para transferir conocimiento de la disipación de potencia del componente, pero hay algunos trucos más para tener en cuenta:

Utilizar arreglos de vías -Stitching-: los arreglos de vías son conductores térmicos al otro lado del PCB. A menudo, si los componentes están muy apiñados en un lado de la tarjeta, los arreglos de vías se pueden utilizar de forma efectiva para conducir el calor al otro lado de la tarjeta donde, tal vez, más área de la superficie está disponible para utilizarse como disipador de calor.

Fuentes de calor externas: considere la posibilidad de la conducción de calor a su PCB mediante fuentes externas. Un circuito puede funcionar bien por sí mismo en un banco, sin embargo, si ese mismo circuito está atornillado a una superficie de metal que se calienta a partir de otra fuente, se enciende en llamas. Aunque el calor pasivo de la luz del sol directa sobre el tablero de un auto puede ser suficiente para dañar diseños marginales. Generalmente, es la acción sin anticipación lo que hace daño.

Eliminar la necesidad de rediseñar con reglas de diseño incorporadas

Considerar estas situaciones cuando diseña un PCB puede desencadenar pequeños ajustes en el diseño, y con eso puede ahorrarse revisiones futuras sin anticipación. Siempre se deben mantener las notas, pero según cómo se compartan estas notas con el equipo, podrían perderse. Las reglas incorporadas en el diseño mantienen la información importante correcta cuando se necesita – en el diseño. Al utilizar la función de reglas de diseño de Altium Designer, cada diseñador puede "ver a la vuelta de la esquina", y evitar las trampas que hacen que sea necesario rediseñar.