Diseñar cualquier PCB es un desafío, especialmente a medida que los dispositivos se vuelven cada vez más pequeños. El diseño de PCB de alta corriente es aún más complejo porque tiene los mismos obstáculos y requiere un conjunto adicional de factores únicos a considerar.
Los expertos predicen que es probable que la demanda de dispositivos de alta potencia aumente para lograr tasas de crecimiento anuales de dos dígitos para el IoT industrial para 2030. Aquí hay siete pasos para optimizar el diseño de PCB en la electrónica de alta corriente para esta tendencia.
1.Borre suficiente tamaño de cable
El tamaño de la línea es una de las consideraciones de diseño más importantes para los PCB de alta corriente. El cableado de cobre ha tendido a ser miniaturizado para diseños más compactos, pero esto no funciona en corrientes más altas. Una pequeña sección transversal puede conducir a la pérdida de energía a través de la disipación de calor, por lo que se requiere un tamaño de vía adecuadamente grande.
Puede cambiar el área de sección transversal del cable ajustando dos factores: el ancho del cable y el grosor del cobre. Equilibrar estos dos es la clave para reducir el consumo de energía y mantener el tamaño de PCB ideal.
Use la calculadora de ancho de línea PCB para saber qué anchos y espesores admiten el tipo de corriente requerida para su dispositivo. Cuando use estas herramientas, tenga cuidado de diseñar el tamaño de cableado para admitir corrientes más altas de las que cree que necesita.
2.Construya la colocación del componente
El diseño del componente es otra consideración clave en el diseño de PCB de alta corriente. MOSFETS y componentes similares generan mucho calor, por lo que es importante mantenerlos como aislados de otros puntos calientes o sensibles a la temperatura como sea posible. Esto no siempre es fácil cuando se trata de factores de forma reducidos.
Los amplificadores y convertidores deben mantenerse a una distancia apropiada de MOSFET y otros elementos de calefacción. Si bien puede ser tentador mantener una zona de alta potencia en el borde, esto no permite una distribución de temperatura uniforme. En cambio, se colocan en líneas rectas en todos los ámbitos para retener la energía, lo que hace que el calor sea más uniforme.
Al acercarse primero a las áreas más influyentes, es más fácil determinar los componentes ideales. Primero, determine la ubicación ideal para los componentes de alta temperatura. Una vez que sepa dónde colocarlos, puede usar el resto para llenar los vacíos.
3. Optimizar la gestión de la disipación de calor
Del mismo modo, los PCB de alta corriente también requieren una cuidadosa gestión térmica. Para la mayoría de las aplicaciones, esto significa mantener la temperatura interna por debajo de los 130 grados Celsius para la temperatura de transición de vidrio de los laminados FR4. La optimización de la colocación de componentes ayudará, pero sus pasos de minimización de calor deben detenerse allí.
El enfriamiento de la convección natural puede ser suficiente para las PCB electrónicas de consumo más pequeñas, pero puede no ser suficiente para aplicaciones de mayor potencia. Los radiadores mecánicos pueden ser necesarios. El enfriamiento activo, como los ventiladores o los sistemas de enfriamiento líquido alrededor de los Mosfets, también ayuda. Sin embargo, algunos diseños de dispositivos pueden no ser lo suficientemente grandes como para acomodar radiadores tradicionales o enfriamiento activo.
Para los PCB más pequeños pero de alto rendimiento, la disipación de calor a través de agujeros es una alternativa útil. Un metal altamente conductor con una serie de agujeros vertidos eliminará el calor de MOSFET o componentes similares antes de que alcance áreas más sensibles.
4.Utilice los materiales correctos
La selección de materiales será de gran beneficio al optimizar la gestión térmica y garantizar que los componentes puedan soportar corrientes más altas. Esto se aplica a los componentes y sustratos de PCB.
Aunque FR4 es el sustrato más común, no siempre es la mejor opción para diseños de PCB de alta corriente. Los PCB de núcleo de metal pueden ser ideales porque equilibran el aislamiento y la rentabilidad de los sustratos como FR4 con el desplazamiento de resistencia y temperatura de metales altamente conductores. Alternativamente, algunos fabricantes hacen laminados especiales resistentes al calor que podría considerar.
Nuevamente, solo debe usar componentes con altos valores de resistencia térmica. A veces, esto significa elegir materiales que sean más resistentes al calor, mientras que en otros casos significa usar componentes más gruesos del mismo material. La mejor opción depende mejor del tamaño de su PCB, el presupuesto y los proveedores disponibles.
5. Impulsar el proceso de control de calidad
La fiabilidad de los PCB de alta corriente también es una cuestión de encontrar errores en la producción. Si el proceso de fabricación no puede encontrar y abordar defectos que compensen sus ventajas, entonces las cuatro opciones de diseño anteriores no generarán mucha mejora. Los controles de calidad más confiables para iteraciones prototipo también son importantes.
El uso de las herramientas adecuadas para evaluar la calidad de una PCB es una de las consideraciones más importantes en el campo. Los comparadores ópticos digitales como plantillas y cubiertas superan a los métodos tradicionales a medida que se extienden y se distorsionan con el tiempo, obstaculizando su confiabilidad. También debe considerar herramientas que son fáciles de automatizar para minimizar el riesgo de error humano.
Independientemente de los métodos y técnicas específicos que use, el seguimiento de todos los defectos es fundamental. Con el tiempo, estos datos pueden revelar tendencias en la aparición de problemas, proporcionando cambios de diseño de PCB más confiables.
6. Diseño de fabricación
Un factor similar pero a menudo pasado por alto en el diseño de PCB de alta corriente está garantizando la facilidad de fabricación. Si los errores de producción son tan comunes que el dispositivo rara vez cumple con las especificaciones en papel, no importa cuán confiable sea la PCB en teoría.
La solución es evitar diseños demasiado complejos o intrincados tanto como sea posible. Al diseñar PCB de alta corriente, tenga en cuenta su proceso de fabricación, considerando cómo estos flujos de trabajo podrían producirlos y qué problemas pueden surgir. Cuanto más fácil pueda hacer productos sin errores, más confiables serán.
Este paso requiere una estrecha cooperación con las partes interesadas de producción. Si no maneja la fabricación interna, involucre a sus socios de producción en la fase de diseño para obtener su opinión sobre posibles problemas de fabricación.
7. Utilice la tecnología para su ventaja
Las nuevas técnicas de planificación y producción pueden facilitar el equilibrio de estas consideraciones. La impresión 3D introduce más flexibilidad de diseño para admitir diseños de PCB más complejos sin errores de producción. Su precisión también le permite asegurarse de que el cableado de cobre siga una curva en lugar de un ángulo recto para reducir su longitud y minimizar el consumo de energía
La inteligencia artificial es otra tecnología que vale la pena investigar. Las herramientas AI PCB pueden colocar automáticamente componentes o resaltar problemas potenciales de diseño para evitar que aparezcan errores en el mundo real. Soluciones similares pueden simular diferentes entornos de prueba para evaluar el rendimiento de los PCB antes de producir prototipos físicos.
El diseño de PCB de alta corriente requiere precaución
Diseñar una PCB confiable de alta corriente no es fácil, pero no es imposible. Después de estos siete pasos lo ayudará a optimizar su proceso de diseño para crear dispositivos de alta potencia más eficientes.
A medida que crece el Internet de las cosas industriales, estas consideraciones serán aún más importantes. Cogerlos ahora será la clave para el éxito continuo en el futuro.
