Uso de una calculadora IPC-2152: diseño según normas

Si te fijas en los programas EDA modernos, verás que hay muchas calculadoras y simuladores integrados en estas aplicaciones. Sin embargo, una de las áreas de simulación que ha quedado rezagada con respecto a todas las demás son las simulaciones térmicas. Los cálculos térmicos son importantes, especialmente en la electrónica de potencia y en la electrónica de alta fiabilidad, incluso si estos sistemas funcionan con una potencia total inferior. Hay otros casos en los que podemos determinar la necesidad potencial de una estimación de calentamiento de pistas dada la corriente suministrada a una pista.

La industria lleva tiempo esforzándose en desarrollar normas que abarquen las mejores prácticas de gestión térmica. Los resultados han sido un poco decepcionantes, lo que ha llevado a un conjunto de fórmulas empíricas definidas en las normas IPC-2152 e IPC-2221. Estas fórmulas se pueden utilizar para estimar la relación entre la corriente en una pista, el ancho de la pista y el aumento de temperatura previsto por encima de la temperatura ambiente, suponiendo que el diseño se encuentra en un sustrato de grado FR4.

Gráficos IPC-2152 vs. calculadoras

En primer lugar, algunos antecedentes: si estás familiarizado con la evolución de las normas IPC, puede que recuerdes que las normas originales relativas al diseño de pistas se basaban en resultados experimentales de hace 50 años en placas de poliimida. Los parámetros relevantes del material FR4 solo presentan diferencias de aproximadamente un 2% respecto a la poliimida, por lo que las normas IPC-2152 son igualmente aplicables a las PCB en FR4. La relación entre el aumento de la temperatura en una PCB, la corriente en las pistas y el área de sección transversal de estas se resumió en una serie de gráficos y una fórmula empírica en la norma IPC-2221B.

Desde 2009, la norma IPC-2152 se ha convertido en la norma principal para dimensionar conductores en una PCB. Aunque la norma es importante para la gestión térmica de las PCB, no ha sido hasta hace poco que se ha llegado a un consenso general sobre la fórmula correcta para dimensionar las pistas. Dada la cantidad de posibilidades de disposición en cualquier PCB, se sabe que los gráficos originales en IPC-2221B no son aplicables a todos los diseños. La nueva norma IPC-2152 presenta resultados que resumen la relación entre las siguientes cantidades:

• Conductividad térmica
• Espesor de la PCB
• Distancia a un plano cercano y al área del plano
• Peso del cobre
• Ancho de la pista
• Aumento de temperatura esperado o requerido por encima de la temperatura ambiente
• Pistas internas vs. externas

Los resultados se resumieron en un conjunto de gráficos para pistas internas y externas, pero no existe una fórmula explícita que se pueda usar para calcular el aumento de temperatura esperado en una pista de una PCB. Sin embargo, es posible tomar datos del gráfico y desarrollar un modelo de ley de potencia mixta; esto lo hizo la empresa SMPS.us y he reproducido su fórmula de interpolación a continuación. La fórmula maestra resultante se utiliza para calcular el área de la sección transversal de la pista para un aumento de temperatura deseado por encima de la temperatura ambiente (∆T) y la corriente (I):

Esta fórmula se implementa en la siguiente aplicación de calculadora IPC-2152 para determinar los anchos de pista para la PCB.

Calculadora IPC-2152

La aplicación indicada a continuación proporciona una forma sencilla de calcular el ancho de pista requerido (en mil) para una corriente de entrada y temperatura determinadas. Solo tienes que introducir los límites de aumento de temperatura necesarios y la corriente de funcionamiento (RMS). En el caso de que exista un plano, se aplica un factor de corrección para determinar el área y el ancho de cobre requeridos.

Resultados

Limitaciones de las calculadoras IPC-2152

Normalmente, las calculadoras IPC-2152 solo son válidas cuando el espaciado entre las pistas es de más de 2,5 cm. Cualquiera que haya diseñado una PCB sabe que esto no es práctico para las pistas de señales, especialmente cuando se coloca en la misma capa que un riel de alimentación grande (por ejemplo, el stackup SIG+PWR/GND/GND/SIG+PWR). La temperatura de las pistas paralelas estrechamente espaciadas que funcionan en la misma corriente podría ser mayor que la de una sola pista. Una forma de abordar las pistas estrechamente espaciadas es tratarlas como una única pista en la que la corriente combinada se utiliza para determinar el área transversal combinada y el aumento de temperatura.

Por otra parte, la calculadora no tiene en cuenta ninguna de las técnicas estándar de gestión térmica utilizadas en una PCB, como el uso de:

• Disipadores de calor montados en componentes.
• Disipación o generación de calor en componentes activos.
• Enfriamiento por convección sobre la superficie de la placa.
• Refrigeración por conducción en la carcasa del dispositivo.

¿Sigue siendo relevante la norma IPC-2152?

Recientemente tuve el privilegio de discutir sobre la precisión y aplicabilidad de la norma IPC-2152 con Mike Jouppi, un experto en la realización de mediciones térmicas en placas de circuitos. A partir de la experiencia de Mike, se descubrió que las estimaciones producidas por las nomografías y ecuaciones de la IPC-2152 tienden a sobreestimar el ancho de la pista de la PCB o el ancho de los polígonos necesarios para mantener el aumento de temperatura dentro de un límite determinado. Hablé de esto con Mike en un episodio reciente del podcast Altium OnTrack.

Una sobreestimación del ancho de la pista de la PCB no siempre es algo malo. Por ejemplo, si vas a valorar si un polígono grande utilizado como riel de alimentación se mantendrá frío y la anchura del polígono es mucho mayor que el resultado devuelto por IPC-2152, puedes tener la seguridad de que tu polígono no tendrá problemas de calentamiento. Sin embargo, es importante tener en cuenta estos aspectos relacionados con la IPC-2152, ya que pueden hacer que un diseñador sobredimensione una placa de circuito cuando quizá no sea necesario.

Otros recursos para cálculos de calentamiento de pistas

Para terminar, es importante señalar que los resultados de la IPC-2152 se basan en los datos y métodos originales de la IPC-2221, y que la norma incluye incluso las cifras del ancho de las pistas interna y externa de la IPC-2221. Si deseas desarrollar tu propia calculadora que intente resumir estos datos en un tipo similar de ecuación maestra, estas normas son un buen punto de partida.

Si no tienes acceso a un simulador, concretamente a una calculadora térmica 3D, tendrás que utilizar gráficos y calculadoras para estimar la temperatura de equilibrio para una corriente media determinada. En la siguiente lista de enlaces, te proporcionamos algunos recursos para calcular manualmente los límites de calentamiento de la pista, los límites de corriente y el aumento de temperatura utilizando la resistencia térmica / conductividad térmica:

• Ancho de pista vs. tabla actual en IPC-2152 (muestra una tabla de pista interna)
• Datos IPC-2152 para pistas internas y externas
• Cálculos del límite de corriente del plano de potencia
• Cómo utilizar la resistencia térmica y la conductividad para estimar la temperatura
• Guía para el análisis térmico de placas de circuitos

Continuaré actualizando estos recursos sobre capacidades térmicas a medida que desarrollemos más aplicaciones web y cuando estén disponibles para los usuarios de Altium Designer.

Una de las actualizaciones más recientes de Altium Designer^® incluye una calculadora automática de calentamiento de pistas que estima el límite actual según la norma IPC-2221. Aunque sigue habiendo discrepancias entre las normas IPC-2221 y IPC-2152, puedes usar ambas herramientas para obtener una estimación del ancho de pista de la PCB y asegurarte de que el diseño sea fiable. Cuando hayas terminado el diseño y desees enviar los archivos al fabricante, la plataforma Altium 365^™ facilita la colaboración y el uso compartido de tus proyectos. Ven a conocer las últimas novedades de Altium Designer.

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