Diseñar cualquier PCB es un reto, sobre todo a medida que los dispositivos se miniaturizan. El diseño de PCB de alta corriente es aún más complejo, ya que presenta los mismos obstáculos y requiere considerar un conjunto adicional de factores específicos.
Los expertos predicen que la demanda de dispositivos de alta potencia probablemente aumentará hasta alcanzar tasas de crecimiento anual de dos dígitos para el IoT industrial para 2030. Aquí hay siete pasos para optimizar el diseño de PCB en electrónica de alta corriente para esta tendencia.

1. Asegúrese de que el cable tenga el tamaño suficiente.
El tamaño de las líneas es uno de los aspectos de diseño más importantes para las placas de circuito impreso de alta corriente. El cableado de cobre se ha miniaturizado para lograr diseños más compactos, pero esto no funciona con corrientes elevadas. Una sección transversal pequeña puede provocar pérdidas de potencia por disipación de calor, por lo que se requiere un tamaño de pista suficientemente grande.
Puedes modificar la sección transversal del cable ajustando dos factores: el ancho del cable y el grosor del cobre. El equilibrio entre ambos es fundamental para reducir el consumo de energía y mantener el tamaño ideal de la placa de circuito impreso.
Utilice la calculadora de ancho de línea de PCB para determinar qué anchos y grosores admiten el tipo de corriente requerido por su dispositivo. Al usar estas herramientas, asegúrese de diseñar el cableado para que soporte corrientes mayores a las que cree necesitar.

2. Reconsiderar la colocación de los componentes
La disposición de los componentes es otro aspecto clave en el diseño de PCB de alta corriente. Los MOSFET y componentes similares generan mucho calor, por lo que es importante mantenerlos lo más aislados posible de otros puntos calientes o sensibles a la temperatura. Esto no siempre es fácil cuando se trabaja con formatos reducidos.
Los amplificadores y convertidores deben mantenerse a una distancia adecuada de los MOSFET y otros elementos calefactores. Si bien puede resultar tentador concentrar una zona de alta potencia en el borde, esto no permite una distribución uniforme de la temperatura. En cambio, se colocan en línea recta a lo largo de la placa para retener la energía, lo que proporciona una distribución del calor más homogénea.
Al abordar primero las áreas de mayor influencia, resulta más sencillo determinar los componentes ideales. En primer lugar, determine la ubicación óptima para los componentes de alta temperatura. Una vez que sepa dónde colocarlos, puede utilizar el resto para completar la instalación.

3. Optimizar la gestión de la disipación de calor
De igual forma, las placas de circuito impreso de alta corriente también requieren una gestión térmica cuidadosa. Para la mayoría de las aplicaciones, esto significa mantener la temperatura interna por debajo de los 130 grados Celsius, la temperatura de transición vítrea de los laminados FR4. Optimizar la colocación de los componentes ayudará, pero las medidas de minimización del calor no deben superarse ahí.
La refrigeración por convección natural puede ser suficiente para placas de circuito impreso (PCB) de electrónica de consumo pequeñas, pero podría no serlo para aplicaciones de alta potencia. En estos casos, podrían ser necesarios radiadores mecánicos. La refrigeración activa, como ventiladores o sistemas de refrigeración líquida alrededor de los MOSFET, también resulta útil. Sin embargo, algunos diseños de dispositivos podrían no ser lo suficientemente grandes como para alojar radiadores tradicionales o sistemas de refrigeración activa.
Para placas de circuito impreso pequeñas pero de alto rendimiento, la disipación de calor mediante orificios es una alternativa útil. Un metal altamente conductor con una serie de orificios perforados eliminará el calor de los MOSFET o componentes similares antes de que llegue a las zonas más sensibles.

4. Utiliza los materiales adecuados
La selección de materiales será de gran utilidad para optimizar la gestión térmica y garantizar que los componentes puedan soportar corrientes más elevadas. Esto se aplica tanto a componentes de PCB como a sustratos.
Aunque el FR4 es el sustrato más común, no siempre es la mejor opción para diseños de PCB de alta corriente. Las PCB con núcleo metálico pueden ser ideales, ya que ofrecen un equilibrio entre el aislamiento y la rentabilidad de sustratos como el FR4 y la resistencia y capacidad de disipación de calor de los metales altamente conductores. Como alternativa, algunos fabricantes ofrecen laminados especiales resistentes al calor que podría considerar.
Nuevamente, solo debes usar componentes con alta resistencia térmica. A veces, esto implica elegir materiales más resistentes al calor, mientras que en otros casos significa usar componentes más gruesos del mismo material. La mejor opción dependerá del tamaño de tu PCB, tu presupuesto y los proveedores disponibles.

5. Mejorar el proceso de control de calidad
La fiabilidad de las placas de circuito impreso de alta corriente también depende de la detección de errores en la producción. Si el proceso de fabricación no puede detectar y corregir los defectos que contrarrestan sus ventajas, las cuatro opciones de diseño mencionadas no aportarán mejoras significativas. Asimismo, es importante realizar controles de calidad más rigurosos en las iteraciones de prototipos.
Utilizar las herramientas adecuadas para evaluar la calidad de una PCB es fundamental en este campo. Los comparadores ópticos digitales, como plantillas y recubrimientos, superan a los métodos tradicionales, ya que estos se estiran y deforman con el tiempo, lo que reduce su fiabilidad. También conviene considerar herramientas fáciles de automatizar para minimizar el riesgo de error humano.
Independientemente de los métodos y técnicas específicos que utilice, el seguimiento de todos los defectos es fundamental. Con el tiempo, estos datos pueden revelar tendencias en la aparición de problemas, lo que permite realizar cambios más fiables en el diseño de las placas de circuito impreso.

6. Diseño de fabricabilidad
Un factor similar, pero a menudo ignorado, en el diseño de PCB de alta corriente es garantizar la facilidad de fabricación. Si los errores de producción son tan comunes que el dispositivo rara vez cumple con las especificaciones teóricas, no importa cuán fiable sea la PCB en teoría.
La solución consiste en evitar en la medida de lo posible diseños demasiado complejos o intrincados. Al diseñar PCB de alta corriente, tenga en cuenta el proceso de fabricación, considerando cómo estos flujos de trabajo podrían producirlos y qué problemas podrían surgir. Cuanto más fácil sea fabricar productos sin errores, más fiables serán.
Este paso requiere una estrecha colaboración con los responsables de la producción. Si no gestiona la fabricación internamente, involucre a sus socios de producción en la fase de diseño para obtener su opinión sobre posibles problemas de fabricación.

7. Utiliza la tecnología a tu favor
Las nuevas técnicas de planificación y producción facilitan el equilibrio entre estas consideraciones. La impresión 3D introduce mayor flexibilidad de diseño para admitir diseños de PCB más complejos sin errores de producción. Su precisión también permite asegurar 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 merece la pena investigar. Las herramientas de IA para PCB pueden colocar componentes automáticamente o resaltar posibles problemas de diseño para evitar errores en la práctica. Soluciones similares pueden simular distintos entornos de prueba para evaluar el rendimiento de las PCB antes de producir prototipos físicos.

El diseño de PCB de alta corriente requiere precaución.
Diseñar una PCB fiable de alta corriente no es fácil, pero tampoco imposible. Seguir estos siete pasos te ayudará a optimizar tu proceso de diseño para crear dispositivos de alta potencia más eficientes.
A medida que crece el Internet Industrial de las Cosas, estas consideraciones cobrarán aún mayor importancia. Adoptarlas ahora será clave para el éxito continuo en el futuro.