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Diseños de PCB con aplicaciones de alta potencia: exigencias y consideraciones

Los dispositivos electrónicos se vuelven cada vez más complejos con el paso de los años. Esto significa que las placas de circuito impreso (PCB) deben diseñarse de manera precisa y cuidadosa para garantizar el éxito del producto final. Lo más importante es recordar que los circuitos de alta potencia no son un componente único, sino un sistema. El sistema debe diseñarse teniendo en cuenta todos sus componentes, incluida la placa de circuito, los dispositivos electrónicos, el control térmico y la fuente de alimentación.

Electrical vehicle charging | NCAB Group
Electrical vehicle charging – some of the applications that require high power PCB design.

Estas son algunas de las aplicaciones y productos finales que requieren el diseño de circuitos de alta potencia:

  • Alimentación industrial
  • Servomotores
  • Carga de vehículos eléctricos

A continuación se presentan algunos ejemplos de diseño de circuitos de alta potencia:

  • Un sistema de carga para baterías de vehículos eléctricos
  • Un televisor de proyección que necesite al menos 300 vatios de electricidad
  • Sistemas de control térmico para naves espaciales
  • Pantallas de proyección de más de 3000 lúmenes
  • Refrigeradores termoeléctricos que requieran 5 kW de potencia

Consideraciones para el diseño de aplicaciones de alta potencia

Las aplicaciones de alta potencia son aquellas que requieren de mucha energía para funcionar. Esto se suele deber a su uso en dispositivos que necesitan poder funcionar durante mucho tiempo sin estar enchufados.

Los circuitos de alta potencia se definen como aquellos que tienen una tensión o corriente de un orden de magnitud superior a la utilizada en un circuito de baja potencia. Los diseñadores deben asegurarse de que el circuito funcione con la tensión y la corriente adecuadas, y que cuente con suficientes dispositivos de refrigeración y seguridad. A continuación se detallan algunos de los aspectos a tener en cuenta para el diseño de aplicaciones de alta potencia.

Control térmico

La electrónica de alta potencia tiene un flujo calórico superior al de la de baja potencia, por lo que es importante tener en cuenta el control térmico en los diseños de alta potencia. Este calor debe gestionarse de modo que la placa de circuito no se sobrecaliente y falle. El control térmico puede lograrse mediante una combinación de métodos de refrigeración pasivos y activos. La refrigeración pasiva incluye el uso de materiales con baja conductividad térmica, como los plásticos o la cerámica, que se utilizan con fines de aislamiento. La refrigeración activa incluye el uso de ventiladores o refrigeradores de líquido para disipar el calor de la placa de circuito.

Materiales

El material que se suele utilizar en las placas de circuito impreso es el FR4. En las aplicaciones de alta potencia, las propiedades del material adquieren más importancia que en las aplicaciones menos exigentes debido al aumento de la tensión térmica.  Las propiedades del material más comúnmente relacionadas con esta aplicación son una alto Tg así como un elevado coeficiente estable de Td de expansión térmica (CTE, valor de la expansión cuando se calienta) y en algunos casos un alto índice de seguimiento comparativo (CTI, valor de la capacidad de resistir el flujo de corriente no deseado entre las huellas y pistas). 

Máscara de soldadura

La máscara de soldadura es una capa protectora que se aplica a la superficie de la placa de circuito impreso. Protege el cobre de la corrosión y la contaminación. La técnica de la máscara de soldadura puede clasificarse en dos tipos: húmeda y seca. Las máscaras de soldadura en húmedo se aplican sumergiendo o rociando una máscara de soldadura líquida sobre la superficie de la placa, mientras que las máscaras de soldadura en seco se aplican como una lámina de polímero sobre la superficie de la placa. El diseño de placas de circuito impreso de alta potencia requiere una consideración especial para la técnica de máscara de soldadura, ya que las placas de alta potencia son más susceptibles a la corrosión y la contaminación que las de baja potencia.  Aunque la película seca ofrece un revestimiento más consistente, su uso es cada vez menos común en la fabricación convencional. 

Diseño

La mayoría de las placas de circuito impreso de alta potencia utilizan un tipo de diseño que puede englobarse en alguna de estas dos categorías: diseño de distribución o de referencia. La distribución hace referencia a la disposición de los componentes en la placa de circuito impreso, mientras que los diseños de referencia suelen hacerse con una disposición específica. La distribución de la placa de circuito impreso debe diseñarse de manera que pueda manejar los componentes de alta potencia y también reducir la generación de ruido. Hay que seguir algunas reglas a la hora de diseñar una placa de circuito impreso de alta potencia. Estas son alguna de esas reglas:

  • Las conexiones de tierra deben minimizarse al máximo.
  • La tensión no debe superar el valor máximo de tensión de ningún componente de la placa.
  • La generación de ruido debe minimizarse utilizando pistas de baja inductancia y vías de baja capacitancia.
  • La placa debe estar diseñada para soportar la disipación de calor.
  • La placa debe estar diseñada para reducir las posibilidades de que se produzcan daños por descargas electrostáticas (ESD).
  • Cualquier huella que no sea crítica debe protegerse con un plano de tierra.

Colocación de los componentes

La colocación de componentes de alta potencia es una técnica de diseño que se utiliza para reducir la resistencia térmica de la placa de circuito impreso. Esta técnica se utiliza cuando hay componentes de alta potencia en la placa de circuito impreso. Esto puede hacerse de dos maneras:

  • La primera consiste en colocar los componentes cerca unos de otros y utilizar una pequeña zona de cobre para la disipación del calor.
  • La segunda consiste en colocar los componentes lejos unos de otros y utilizar una gran superficie de cobre para la disipación del calor.

Anchura y grosor del trazado

El grosor de las huellas y pistas de cobre viene determinado por la potencia que se les aplicará. Cuanto mayor sea la potencia, más gruesa deberá ser la huella. La anchura de una huella viene determinada por su función. Las huellas internas son más estrechas que las externas porque no están expuestas a las interferencias del exterior. Los planos de tierra son más anchos que las huellas internas o externas porque necesitan disipar más calor y tienen una mayor superficie para la conexión a tierra.

Nuestras recomendaciones para el diseño  

Lo primero que hay que tener en cuenta es la disipación del calor. Cuanto mayor sea la potencia, más calor se generará y más calor habrá que disipar de la placa. Esto significa que tendrá que diseñar zonas de cobre más grandes, más vías y capas de material aislante más gruesas para evitar que la placa se sobrecaliente. También existe la posibilidad de incorporar al diseño la tecnología de las monedas de cobre. Puede obtener más información sobre esta tecnología emergente aquí.

Mantenimiento de la seguridad y la fiabilidad dentro de los parámetros de diseño  

A continuación se indican algunas precauciones que deben tenerse en cuenta al diseñar una placa de circuito impreso de alta potencia:

  • El diseño debe correr a cargo de un ingeniero con experiencia que conozca los efectos de la alta potencia en el diseño de las placas de circuito impreso y que también consulte con su proveedor de PCB.
  • El diseño debe tener en cuenta los efectos del calor en los componentes y la disposición.
  • El diseño debe tener en cuenta los efectos de la interferencia electromagnética (IEM) en otros dispositivos cercanos al dispositivo que se está diseñando.
  • El diseño debe tener en cuenta cualquier peligro potencial que pueda surgir debido a condiciones de sobretensión o sobrecorriente, como el fuego, el humo o la explosión.
  • El diseño debe cumplir con la normativa RoHS y las normas IPC para la seguridad y la fiabilidad, así como las certificaciones CE, CCC y UL.