Cuando trabajamos con PCBs que manejan alta corriente (más de 5A), el diseño se vuelve crítico: trazas demasiado estrechas, un mal manejo térmico o conexiones deficientes pueden causar sobrecalentamiento, pérdida de eficiencia e incluso incendios.
En este artículo, cubriremos los principales consejos para diseñar PCBs de alta corriente de manera segura y eficiente, incluyendo:
Cálculo del ancho de traza (con herramientas online).
Selección de materiales (cobre grueso, sustratos térmicos).
Técnicas de disipación de calor (vías térmicas, planos de cobre).
Errores comunes y cómo evitarlos.
1. Calcula el Ancho de Traza Adecuado
El principal riesgo en alta corriente es el calentamiento por resistencia (Ley de Joule: P=I2×R). Para evitarlo:
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Usa calculadoras de trazas como PCB Toolkit, la norma IPC-2152 o las calculadoras integradas que suelen llevar al mayoría de programas de diseño.
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Ejemplo: Para 10A a 20°C de aumento de temperatura en 1 oz de cobre, necesitas ~5mm de ancho.
2. Usa Capas de Cobre Grueso (2 oz, 3 oz o más) y disipadores
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El cobre estándar (1 oz = 35 µm) puede no ser suficiente. Para mejorar la disipación térmica en nuestros diseños podemos aumentar el espesor del cobre, o mejorar el comportamiento térmico con el uso de disipadores y «copper pours».
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Alternativas:
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Cobre pesado (2 oz, 3 oz) para reducir resistencia.
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Añadir «copper pours». También conocidos como «rellenos de cobre» son áreas de cobre sólido en una PCB, conectadas a una red (como GND o alimentación) para mejorar la disipación térmica, reducir interferencias electromagnéticas (EMI) y optimizar el retorno de señales de alta frecuencia. Se distribuyen en capas de la placa para mejorar estabilidad eléctrica y manufacturabilidad.
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3. Uso de Materiales específicos
Existen distintos materiales que nos permiten adecuarnos en caso de que sea necesario. Es importante conocer bien sus ventajas y usos, para evitar disparar los costes cuando no son necesarios.
Los principales sustratos para aplicaciones de alta potencia son:
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FR-4 de Alta Tg (Temperatura de transición vítrea ≥ 170°C)
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Selección: Mejor resistencia térmica que FR-4 estándar, ideal para cargas moderadas y ciclado térmico.
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Cerámicos (Alúmina – Al₂O₃, Nitruro de Aluminio – AlN)
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Selección: Para ultra alta potencia (ej. módulos IGBT). AlN tiene conductividad térmica ~170 W/mK, pero alto coste.
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Metal Clad (MCPCB: Aluminum/Copper Core)
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Selección: Disipación activa (LEDs, motores). Base metálica (Al/Cu) con capa dieléctrica térmica.
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4. Evita Ángulos Agudos en Trazas
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Los ángulos de 90° crean puntos calientes por densidad de corriente.
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Solución: Usa ángulos de 45° o curvaturas suaves.
5. Usa Múltiples Vías en Paralelo
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Las vías tienen resistencia limitada. Para alta corriente:
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Conecta varias vías en paralelo (ej: 4 vías de 0.3 mm en lugar de 1).
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Rellena vías con cobre (via filling) para mejorar conducción.
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6. Gestiona la Disipación Térmica
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Técnicas clave:
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Vías térmicas: Conectan trazas a planos internos o capas de disipación.
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Heat sinks: Integra disipadores en componentes críticos (ej: MOSFETs).
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Sustratos especiales: Como FR4 de alta Tg o cerámicos para aplicaciones extremas.
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7. Conectores y Pads Reforzados
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Conectores: Usa pines gruesos (ej: terminales de tornillo o Molex de alta corriente).
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Pads de soldadura: Aumenta su tamaño y añade «teardrops» para evitar cracks.
8. Distancia de Seguridad (Creepage y Clearance)
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La distancia de fuga (creepage) es la distancia más corta entre dos partes conductoras a lo largo de la superficie de un material aislante, como una placa de circuito impreso. Es importante en el diseño de alta tensión para evitar fallos eléctricos, como arcos o cortocircuitos, causados por la acumulación de contaminantes en la superficie del aislante.
- La distancia de fuga (creepage) es un concepto crucial en el diseño de placas de circuito impreso (PCB) de alta tensión y otros dispositivos electrónicos. A diferencia de la distancia de separación (clearance), que se mide a través del aire, la distancia de fuga se mide a lo largo de la superficie del material aislante.
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Normas:
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IEC 60950 (equipos electrónicos).
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IPC-2221 (diseño genérico).
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9. Simula el Comportamiento Térmico
- Es importante predecir el comportamiento térmico de la placa para evitar fallos severos de este tipo en las placas instaladas. Existen multitud de herramientas para simular este tipo de comportamientos, pero no todas son igual de sencillos o tienen el mismo coste. Determina tus necesidades antes de elegir una herramienta u otra
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Herramientas como ANSYS Icepakz, Altium Designer + Altium PDN Analyzer o KiCad + Plugins térmicos (OpenFOAM, Freecad…) predicen puntos calientes, Pudiendo ser elegidas en función del programa de diseño que uses o las necesidades concretas. Si no esperas problemas muy pronunciados las herramientas integradas suelen ser más sencillas y se integran mejor en el flujo de trabajo. Pero las herramientas especificas analizan en mayor profundidad y ofrecen mayor precisión en los resultados..
10. Errores Comunes (y Cómo Evitarlos)
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Traza demasiado estrecha: Usa calculadoras IPC-2152.
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Falta de planos de tierra: Aumenta inductancia y ruido.
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Soldadura fría: Verifica con microscopio o termocámara.
Conclusión
Diseñar PCBs para alta corriente exige precisión en el routing, materiales adecuados y gestión térmica. Si aplicas estos consejos, evitarás fallos críticos y garantizarás la fiabilidad de tu placa.
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