Projetar qualquer placa de circuito impresso (PCB) é um desafio, especialmente à medida que os dispositivos se tornam cada vez menores. O projeto de PCBs de alta corrente é ainda mais complexo, pois apresenta todos os mesmos obstáculos e exige a consideração de um conjunto adicional de fatores exclusivos.
Especialistas preveem que a demanda por dispositivos de alta potência deverá atingir taxas de crescimento anual de dois dígitos para a IoT industrial até 2030. Aqui estão sete etapas para otimizar o projeto de PCBs em eletrônica de alta corrente para atender a essa tendência.

1. Certifique-se de que o cabo tenha bitola suficiente.
A largura da trilha é uma das considerações de projeto mais importantes para PCBs de alta corrente. A fiação de cobre tende a ser miniaturizada para projetos mais compactos, mas isso não funciona com correntes mais altas. Uma seção transversal pequena pode levar à perda de potência por dissipação de calor, portanto, uma largura de trilha adequadamente grande é necessária.
É possível alterar a área da seção transversal do fio ajustando dois fatores: a largura do fio e a espessura do cobre. O equilíbrio entre esses dois fatores é fundamental para reduzir o consumo de energia e manter o tamanho ideal da placa de circuito impresso.
Use a calculadora de largura de linha da placa de circuito impresso para descobrir quais larguras e espessuras suportam o tipo de corrente necessário para o seu dispositivo. Ao usar essas ferramentas, tenha cuidado ao dimensionar a fiação para suportar correntes maiores do que você imagina precisar.

2. Repensar o posicionamento dos componentes
O layout dos componentes é outra consideração fundamental no projeto de PCBs de alta corrente. MOSFETs e componentes similares geram muito calor, portanto, é importante mantê-los o mais isolados possível de outros pontos quentes ou sensíveis à temperatura. Isso nem sempre é fácil quando se trabalha com formatos reduzidos.
Amplificadores e conversores devem ser mantidos a uma distância adequada de MOSFETs e outros elementos de aquecimento. Embora possa ser tentador manter uma zona de alta potência na borda, isso não permite uma distribuição uniforme de temperatura. Em vez disso, eles são dispostos em linhas retas ao longo da placa para reter energia, o que torna o calor mais uniforme.
Ao abordar primeiro as áreas mais influentes, fica mais fácil determinar os componentes ideais. Primeiro, determine a localização ideal para os componentes de alta temperatura. Depois de saber onde colocá-los, você pode usar o restante para preencher as lacunas.

3. Otimizar a gestão da dissipação de calor
Da mesma forma, placas de circuito impresso de alta corrente também exigem um gerenciamento térmico cuidadoso. Para a maioria das aplicações, isso significa manter a temperatura interna abaixo de 130 graus Celsius, que é a temperatura de transição vítrea dos laminados FR4. Otimizar o posicionamento dos componentes ajudará, mas suas medidas de minimização de calor devem parar por aí.
A refrigeração por convecção natural pode ser suficiente para placas de circuito impresso (PCBs) de eletrônicos de consumo menores, mas pode não ser suficiente para aplicações de alta potência. Dissipadores mecânicos podem ser necessários. A refrigeração ativa, como ventiladores ou sistemas de refrigeração líquida ao redor dos MOSFETs, também ajuda. No entanto, alguns projetos de dispositivos podem não ser grandes o suficiente para acomodar dissipadores tradicionais ou refrigeração ativa.
Para placas de circuito impresso (PCBs) menores, porém de alto desempenho, a dissipação de calor através de furos é uma alternativa útil. Um metal altamente condutor com uma série de furos perfurados remove o calor dos MOSFETs ou componentes similares antes que ele atinja áreas mais sensíveis.

4. Utilize os materiais corretos
A seleção adequada de materiais será de grande benefício na otimização do gerenciamento térmico e na garantia de que os componentes suportem correntes mais elevadas. Isso se aplica tanto a componentes quanto a substratos de placas de circuito impresso.
Embora o FR4 seja o substrato mais comum, nem sempre é a melhor escolha para projetos de PCBs de alta corrente. PCBs com núcleo metálico podem ser ideais, pois equilibram o isolamento e a relação custo-benefício de substratos como o FR4 com a resistência e a dissipação de calor de metais altamente condutores. Como alternativa, alguns fabricantes produzem laminados especiais resistentes ao calor que você pode considerar.
Novamente, você deve usar apenas componentes com altos valores de resistência térmica. Às vezes, isso significa escolher materiais mais resistentes ao calor, enquanto em outros casos significa usar componentes mais espessos do mesmo material. A melhor opção depende do tamanho da sua placa de circuito impresso, do seu orçamento e dos fornecedores disponíveis.

5. Melhorar o processo de controle de qualidade
A confiabilidade das placas de circuito impresso de alta corrente também depende da detecção de erros na produção. Se o processo de fabricação não for capaz de identificar e corrigir defeitos que anulem suas vantagens, as quatro opções de projeto mencionadas não trarão grandes melhorias. Verificações de qualidade mais rigorosas para as iterações do protótipo também são importantes.
Utilizar as ferramentas certas para avaliar a qualidade de uma placa de circuito impresso (PCB) é uma das considerações mais importantes na área. Comparadores ópticos digitais, como modelos e revestimentos, superam os métodos tradicionais, pois estes se deformam e distorcem com o tempo, comprometendo sua confiabilidade. Também é importante considerar ferramentas que sejam fáceis de automatizar para minimizar o risco de erro humano.
Independentemente dos métodos e técnicas específicos utilizados, o rastreamento de todos os defeitos é crucial. Com o tempo, esses dados podem revelar tendências no surgimento de problemas, proporcionando alterações mais confiáveis ​​no projeto da placa de circuito impresso.

6. Projeto de fabricação
Um fator semelhante, mas frequentemente negligenciado no projeto de PCBs de alta corrente, é garantir a facilidade de fabricação. Se os erros de produção forem tão comuns que o dispositivo raramente atenda às especificações no papel, não importa o quão confiável o PCB seja na teoria.
A solução é evitar projetos excessivamente complexos ou intrincados sempre que possível. Ao projetar PCBs de alta corrente, leve em consideração o processo de fabricação, analisando como esses fluxos de trabalho podem produzi-los e quais problemas podem surgir. Quanto mais fácil for produzir componentes sem erros, mais confiáveis ​​eles serão.
Esta etapa exige estreita colaboração com as partes interessadas na produção. Se você não realiza a fabricação internamente, envolva seus parceiros de produção na fase de projeto para obter a opinião deles sobre possíveis problemas de fabricação.

7. Use a tecnologia a seu favor.
Novas técnicas de planejamento e produção podem facilitar o equilíbrio dessas considerações. A impressão 3D introduz maior flexibilidade de design para suportar layouts de PCB mais complexos sem erros de produção. Sua precisão também permite garantir que a fiação de cobre siga uma curva em vez de um ângulo reto, reduzindo seu comprimento e minimizando o consumo de energia.
A inteligência artificial é outra tecnologia que vale a pena investigar. Ferramentas de IA para PCBs podem posicionar componentes automaticamente ou destacar potenciais problemas de projeto para evitar que erros ocorram no mundo real. Soluções semelhantes podem simular diferentes ambientes de teste para avaliar o desempenho de PCBs antes da produção de protótipos físicos.

O projeto de PCBs para altas correntes requer cautela.
Projetar uma placa de circuito impresso (PCB) confiável para altas correntes não é fácil, mas não é impossível. Seguir estes sete passos ajudará você a otimizar seu processo de projeto para criar dispositivos de alta potência mais eficientes.
Com o crescimento da Internet Industrial das Coisas, essas considerações se tornarão ainda mais importantes. Adotá-las agora será a chave para o sucesso contínuo no futuro.