Tabla de anchos de pistas de una PCB en función de la corriente para diseños de alta potencia

El cobre es un buen conductor con un punto de fusión alto, pero debes hacer todo lo posible para mantener bajas las temperaturas. Para ello, tendrás que dimensionar adecuadamente el ancho de las vías de alimentación a fin de mantener la temperatura dentro de un cierto límite. Sin embargo, también deberás considerar la corriente que fluye a través de una pista determinada. Cuando trabajes con una vía de alimentación, componentes de alto voltaje y otras partes de la placa sensibles al calor, puedes determinar el ancho de la pista de alimentación que necesitarás utilizar en tu diseño con una tabla de anchos de pistas de PCB en función de la corriente.

La otra opción es utilizar una calculadora basada en los estándares IPC-2152 o IPC-2221. También es útil saber cómo interpretar los gráficos equivalentes del ancho de pista en función de la corriente de los estándares IPC, ya que las tablas de anchos de pistas de PCB en función de la corriente no siempre son lo suficientemente exhaustivas. En este artículo, daremos un repaso a los recursos que necesitas.

Mantener baja la temperatura en diseños de alta potencia

Una pregunta que suele surgir en el contexto del diseño y el enrutamiento de las PCB es cómo calcular el ancho de la pista de alimentación recomendado para mantener la temperatura del dispositivo dentro de un límite determinado para una cierta cantidad de corriente, o viceversa. Un objetivo operativo habitual es mantener el aumento de la temperatura del conductor en una placa entre unos 10 y 20 °C. El objetivo en un diseño para alta corriente es ajustar el ancho de la pista de la PCB y el peso del cobre para que el aumento de la temperatura se mantenga dentro de un cierto límite respecto a la corriente de funcionamiento requerida.

IPC ha desarrollado estándares relacionados con las metodologías adecuadas para probar y calcular el aumento de temperatura en las pistas de las PCB para determinadas corrientes de entrada. Se trata de los estándares IPC-2221 e IPC-2152, y ambos contienen una gran cantidad de información al respecto. Obviamente, estos estándares son bastante extensos y la mayoría de los diseñadores de PCB no tienen tiempo para analizar todos los datos a la hora de determinar una tabla de los anchos de pista de la PCB en función de la corriente. Afortunadamente, hemos recopilado algunos recursos para ayudarte a calcular el aumento de temperatura en base a la corriente:

• Tabla de anchos de pista de la PCB en función de la corriente (ver más abajo)
• Calculadora IPC-2221 para el aumento de la temperatura de las pistas
• Calculadora IPC-2152 para el aumento de la temperatura de las pistas

El siguiente vídeo describe los estándares de IPC relevantes y explica cómo difieren en términos de poder predictivo y aplicabilidad. El vídeo también presenta algunos recursos para calcular los límites de corriente, o el aumento de la temperatura previsto de las pistas, para una corriente de entrada determinada.

Tabla de anchos de pistas en función de la corriente para PCB

Los estándares IPC 2152 son el punto de partida para dimensionar las pistas y las vías. Las fórmulas especificadas en estos estándares permiten calcular fácilmente los límites de corriente para un aumento de temperatura determinado, aunque no tienen en cuenta el enrutamiento con impedancia controlada. Dicho esto, trabajar con una tabla de anchos de pista de PCB en función de la corriente es una buena forma de empezar a determinar el ancho / área de sección transversal de las pistas de una PCB. Esto te permite determinar eficazmente el límite superior de la corriente permitida en las pistas, lo que luego podrás utilizar para dimensionarlas y lograr un enrutamiento con impedancia controlada.

Cuando el aumento de temperatura alcanza un valor muy alto en una placa que funciona con una corriente elevada, las propiedades eléctricas del sustrato pueden alterarse como consecuencia de esas temperaturas más altas. Las propiedades eléctricas y mecánicas del sustrato cambiarán con la temperatura y la placa se decolorará y debilitará si funciona a altas temperaturas durante un largo periodo de tiempo. Esta es una de las razones por las que todos los diseñadores que conozco dimensionan las pistas de forma que el aumento de temperatura se mantenga dentro de un intervalo de 10 °C. Otro buen motivo para ello es poder tener en cuenta una amplia horquilla de temperaturas ambiente, en lugar de limitarse a una temperatura de funcionamiento concreta.

La siguiente tabla muestra una serie de anchos de pistas de PCB y sus correspondientes valores de corriente para mantener el aumento de la temperatura por debajo de los 10 °C con 1 onza/pie ² de peso de cobre. Esto debería darte una idea de cómo dimensionar las pistas en tu PCB.

La tabla anterior se aplica a muchas de las placas de circuito impreso que se suelen fabricar con el proceso estándar y tiene como objetivo un aumento de temperatura aceptable muy conservador (10 °C). También es adecuado para la mayoría de los laminados que contienen una lámina de cobre estándar (1 onza/pie ²).

Probablemente hayas notado dos cosas en esta tabla:

• Los diferentes grosores de pista / pesos de cobre. El grosor de la pista debe calcularse a partir del peso del cobre de la placa. Arriba, solo hemos incluido el valor estándar de 1 onza/pie ². Sin embargo, las placas que funcionan a altas corrientes a menudo requieren más peso de cobre para soportar un mayor aumento de la temperatura.

• Sustratos alternativos. Los datos anteriores están compilados para FR4, lo que abarcará una amplia variedad de las PCB enviadas a la producción. Sin embargo, las aplicaciones avanzadas pueden requerir una PCB con centro de aluminio, un sustrato de cerámica o un laminado avanzado de alta velocidad con un sistema de resina alternativo. Si trabajas con un sustrato con mayor conductividad térmica, la temperatura de las pistas será menor, ya que se disipará mejor el calor de las pistas de la PCB. En una primera aproximación, el aumento de temperatura será proporcional a la relación entre la conductividad térmica del material del sustrato que hayas elegido y la del FR4.

Uso del nomógrafo IPC 2152

Si deseas trabajar con diferentes pesos de cobre en capas internas o externas, una herramienta práctica es el conjunto de nomógrafos incluidos en el estándar IPC 2152. Esta tabla te ofrece una herramienta simple para dimensionar los conductores para unos aumentos de corriente y temperatura determinados. También puedes calcular qué corriente producirá un aumento de temperatura determinado si ya has elegido la corriente de alimentación para el ancho de las pistas de la PCB. Con esta herramienta, puedes verificar visualmente el límite de corriente en el diseño de las pistas sin necesidad de buscar o crear una calculadora IPC-2152.

Esto se muestra en los dos ejemplos del nomógrafo siguientes. Ten en cuenta que el gráfico que hay a continuación se ha definido únicamente para pistas internas. Para ver la misma versión de este gráfico para pistas externas, consulta este artículo de Jeff Loyer.

Nomógrafo IPC 2152 para el ancho de pista de alimentación de una PCB en función de la corriente y del aumento de temperatura. Imagen modificada por el usuario Daniel Grillo en StackExchange.

La flecha roja muestra cómo determinar la corriente máxima para un ancho de pista de alimentación, el peso del cobre (es decir, el área de sección transversal de la pista) y el aumento de temperatura deseados. En este ejemplo, se selecciona primero el ancho del conductor (140 mils) y la flecha roja se traza horizontalmente hasta el peso de cobre deseado (1 onza/pie ²). A continuación, trazamos verticalmente hasta el aumento de temperatura deseado (10 °C) y luego trazamos hasta el eje Y para encontrar el límite de corriente correspondiente (~2,75 A).

La flecha naranja va en la otra dirección. Hemos empezado con una corriente determinada (1 A) y hemos trazado horizontalmente hasta el aumento de temperatura deseado (30 °C). A continuación, trazamos hacia abajo verticalmente para determinar las dimensiones de la pista de la PCB. En este ejemplo, supongamos que especificamos 0,5 onzas/pie ² de peso de cobre. Después de trazar hasta esta línea, trazaremos horizontalmente hasta el eje "Y" para encontrar el ancho del conductor, unos 40 mils. Supongamos que queríamos usar un peso de cobre de 1 onza/pie ²; en ese caso, veríamos que el ancho necesario para la pista de alimentación es de 20 mils.

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