Ancho de pista vs capacidad de corriente: Consejos de diseño de PCB para enrutamiento de potencia

En el intrincado arte del diseño de PCB, el enrutamiento de potencia es el héroe anónimo que transporta la corriente que da vida a los circuitos. Mientras que las pistas de señal reciben toda la atención por su adaptación de impedancia y control de ruido, las pistas de potencia asumen silenciosamente la responsabilidad de suministrar corriente sin quemarse a sí mismas ni a los componentes que alimentan. Pero, ¿qué tan anchas deben ser estas pistas? Ahí es donde entra en juego la relación entre el ancho de pista y la capacidad de corriente.  Si piensa que pistas de 0,1 mm son suficientes para 10 A, básicamente está diseñando un fusible con forma de PCB. Para saber más sobre PCB, consulta nuestra guía completa sobre la fabricación de PCB.

Por qué el ancho de pista es importante en el enrutamiento de potencia

El enrutamiento de potencia consiste en suministrar corriente de manera eficiente mientras se gestionan el calor, las caídas de voltaje y la integridad de la señal. Si elige mal el ancho de pista, puede provocar acumulación de calor, caída de voltaje o, en casos extremos, el derretimiento de la pista. Y sí, las pistas derretidas pueden verse geniales en las películas de ciencia ficción, pero en la práctica son simplemente un desastre de diseño.

La IPC ha desarrollado normas relacionadas con las metodologías adecuadas para probar y calcular el aumento de temperatura en las pistas de PCB para corrientes de entrada específicas. Estos estándares son IPC-2221 e IPC-2152, y ambas contienen una gran cantidad de información sobre estos temas. Obviamente, estos estándares son bastante extensos y la mayoría de los diseñadores no tienen tiempo para analizar todos los datos y determinar una tabla de ancho de pista frente a corriente.

   

¿Qué es la resistencia de una pista en una placa de circuito?

Toda sustancia en la naturaleza tiene cierta resistencia al paso de la corriente, por lo que tanto los conductores como los aislantes producirán distintos grados de oposición al flujo de corriente. En la fabricación de pistas de PCB, el cobre es un material conductor común, pero debido a su composición y propiedades, seguirá generando resistencia al paso de la corriente, lo que se conoce como resistencia de pista en la PCB.

La resistencia en un circuito, medida en ohmios, indica la oposición al flujo de corriente. En las PCBs, la resistencia de las pistas es crucial para evaluar las pérdidas en la transmisión de señales y la capacidad de manejo de potencia. La resistencia depende del grosor, ancho y longitud de la pista y debe mantenerse baja para permitir un flujo de corriente eficiente. Una resistencia alta provoca pérdida de potencia, sobrecalentamiento y menor conductividad. Para minimizar la resistencia, los diseñadores pueden aumentar el ancho de la pista, usar capas de cobre más gruesas o ampliar el área de cobre. Estos métodos gestionan eficazmente el calor y mejoran el rendimiento de la PCB, especialmente en diseños con cobre grueso.

Factores que afectan la capacidad de corriente

Cuando una pista de una sola capa no puede soportar la corriente requerida, puede extenderse a través de múltiples capas mediante vías de interconexión para unir estas capas, aumentando así la capacidad de conducción de corriente cuando el grosor de la pista se mantiene constante en todas las capas. Aunque usar pistas de cobre más gruesas de 2 oz o 3 oz aumenta la capacidad de corriente debido a la menor resistividad, también aumenta los costes de procesamiento. La capacidad de corriente de una pista de PCB no depende solo de su ancho. A continuación se detalla el desglose completo de los factores principales:

Espesor del cobre: El grosor del cobre, medido en onzas por pie cuadrado, define cuánto cobre se lamina sobre la PCB.

• 1 oz/ft² (35 µm): Estándar para la mayoría de las PCBs.
• 2 oz/ft² (70 µm): Recomendado para aplicaciones de mayor corriente.
• 3 oz/ft² o más: Para diseños de alta demanda de potencia.

Temperatura ambiente y de operación: Las temperaturas más altas reducen la capacidad de corriente de las pistas. Tanto las condiciones ambientales como el calor generado por los componentes influyen. Diseña para el peor escenario térmico, porque su PCB no funcionará en una utopía con aire acondicionado.

Longitud de la pista: Las pistas más largas generan mayor resistencia, lo que provoca más calor y caída de voltaje. Mantenga las pistas de potencia lo más cortas posible. Si su PCB parece un laberinto lleno de curvas, considere rediseñarlo desde el principio.

En aplicaciones de alta potencia como automóviles eléctricos e inversores, donde las corrientes superan los 100 A, las pistas de cobre tradicionales suelen ser insuficientes. En estos casos, pueden emplearse barras colectoras de cobre, que son más gruesas que las pistas estándar. Estas barras se sueldan a las almohadillas de la PCB y pueden manejar altas corrientes sin sobrecalentarse.

Cálculo del ancho de pista para la capacidad de corriente

Puede utilizar calculadoras en línea para determinar diversos parámetros de la pista, como temperatura, corriente máxima, resistencia, caída de voltaje y disipación de potencia. Puede comprender mejor los resultados familiarizándose con las siguientes fórmulas.

Utiliza calculadoras de ancho de pista en línea o herramientas en el software de diseño de PCB. ¿Por qué memorizar fórmulas cuando puede delegarlas a una calculadora?

7 consejos para optimizar el enrutamiento de potencia en diseños de PCB:

Muchos factores determinan las características de las pistas en el mundo de las PCBs, le recomendamos seguir las mejores prácticas al enrutar su próxima PCB para encontrar el equilibrio entre el coste de fabricación, la densidad del circuito y el rendimiento general.

1. Diseñe con un ancho de pista adecuado: Asegúrese de que las pistas puedan manejar la corriente esperada sin sobrecalentarse. Ejemplo: Para una carga de 2 A en una PCB con cobre de 1 oz, un ancho aproximado de 1 mm (40 mil) es típico en capas externas.

2. Use pistas más anchas para corrientes mayores: En caso de duda, haga la pista más ancha. Una pista más ancha reduce la resistencia, mejora la capacidad de conducción de corriente y minimiza las caídas de voltaje.

3. Emplee planos de potencia: Los planos de potencia son grandes áreas de cobre que distribuyen la corriente de manera eficiente. En diseños de alto consumo, utilice planos dedicados de potencia y tierra en lugar de depender solo de pistas.

4. Gestione el calor:La disipación de calor es crítica para pistas de alta corriente. Añada aliviaderos térmicos o vías para distribuir el calor entre capas. Use cobre más grueso para una mejor conducción térmica.

5. Minimice la caída de voltaje:La caída de voltaje a lo largo de una pista puede causar fallos en los componentes, especialmente en diseños de bajo voltaje. Mantenga las pistas cortas, anchas y directas para reducir la resistencia.

6. Evite ángulos pronunciados:Los ángulos agudos crean puntos calientes y aumentan la inductancia. Use ángulos de 45° o curvas en las pistas de potencia.

7. Pistas en paralelo para corrientes altas:Para corrientes extremadamente altas, divida la carga entre pistas o capas en paralelo. Se recomienda más de una vía cuando se enruta una pista de potencia entre diferentes capas. El límite de corriente para una sola vía es de aproximadamente 500 mA.

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Errores comunes y cómo evitarlos

1. Ignorar los efectos térmicos: Usar pistas delgadas en capas internas para trayectorias de alta corriente. Opte por pistas más anchas o vías térmicas para gestionar mejor el calor y rutee las pistas de potencia en la capa superior o inferior.

2. Diseños sobrecargados: No se recomienda enrutar pistas de potencia a través de áreas saturadas. Planifique el enrutamiento desde el inicio y priorice las rutas de potencia.

3. Confiar solo en capas externas: Sobrecargar pistas externas y descuidar el enrutamiento en capas internas. Distribuya la corriente a través de múltiples capas cuando sea necesario, rutee corrientes altas por las capas principales y distribuya la corriente de señal/digital en diferentes capas.

Por qué eliminar la máscara de soldadura en el enrutamiento de potencia:

Eliminar la máscara de soldadura permite que la pista transporte una mayor capacidad de corriente, lo cual es un método económico. Cuando se retira la máscara, el cobre en la parte inferior queda expuesto y puede reforzarse con material de soldadura adicional para aumentar el grosor del cobre y reducir la resistencia total en los componentes de la PCB. En este caso, la PCB puede adaptarse a una mayor capacidad de potencia sin aumentar el ancho de la pista.

Conclusión

El enrutamiento de potencia va más allá de simplemente conectar componentes; se trata de gestionar corrientes, minimizar el calor y garantizar la fiabilidad. Al equilibrar el ancho de pista, el grosor del cobre y la gestión térmica, puede diseñar PCBs que suministren potencia sin sobrecalentamiento ni daños en las pistas. Consulte el proceso completo de diseño de una PCB teniendo en cuenta los cálculos de las pistas.

• El ancho de pista y el espesor de la capa de cobre son fundamentales para gestionar la capacidad de conducción de corriente en las PCB, con estándares proporcionados por IPC-2152 e IPC-2221.

• La ubicación de una pista, externa o interna, afecta significativamente su capacidad de disipación térmica, influyendo en la elección adecuada para una gestión segura de la temperatura.

• El espesor del cobre suele medirse en onzas por pie cuadrado, correlacionándose directamente con el peso y proporcionando una métrica clara para determinar el grosor necesario de la pista.

Recuerde: un poco más de esfuerzo en la fase de diseño puede ahorrarle pistas derretidas y componentes quemados más adelante. Diseñe ancho, manténgase frío y evite los desastres eléctricos por subestimar sus necesidades de corriente.