特にデバイスが小さくて小さくなるにつれて、PCBを設計することは困難です。高電流PCB設計は、すべて同じ障害があり、考慮すべき独自の要素の追加セットが必要なため、さらに複雑です。
専門家は、高出力デバイスの需要が2030年までに産業IoTの2桁の年間成長率を達成するために上昇する可能性が高いと予測しています。この傾向のために高電流エレクトロニクスのPCB設計を最適化する7つのステップを示します。
1.十分なケーブルサイズを供給します
ラインサイズは、高電流PCBにとって最も重要な設計上の考慮事項の1つです。銅の配線は、よりコンパクトなデザインのために小型化される傾向がありましたが、これはより高い電流では機能しません。小さな断面は、熱散逸による電力損失につながる可能性があるため、適切に大きなトラックサイズが必要です。
ワイヤの幅と銅の厚さの2つの要因を調整することにより、ワイヤの断面積を変更できます。これら2つのバランスをとることは、消費電力を削減し、理想的なPCBサイズを維持するための鍵です。
PCBライン幅計算機を使用して、デバイスに必要な電流のタイプをサポートする幅と厚さを学習します。これらのツールを使用する場合は、配線サイズを設計して、必要と思われるよりも高い電流をサポートするように注意してください。
2.コンポーネントの配置を考え直します
コンポーネントレイアウトは、高電流PCB設計におけるもう1つの重要な考慮事項です。 MOSFETと同様のコンポーネントは多くの熱を生成するため、可能な限り他の高温または温度に敏感なスポットから隔離されたものとして保持することが重要です。これは、フォームファクターを削減する場合、必ずしも簡単ではありません。
アンプとコンバーターは、MOSFETやその他の加熱要素から適切な距離に保持する必要があります。エッジで高いパワーゾーンを維持することは魅力的かもしれませんが、これは均一な温度分布を許可しません。代わりに、それらはエネルギーを保持するために全面的に直線に配置されているため、熱がより均等になります。
最初に最も影響力のある領域に近づくことで、理想的なコンポーネントを決定する方が簡単です。まず、高温成分の理想的な場所を決定します。それらをどこに置くかを知ったら、残りを使用してギャップを埋めることができます。
3.熱散逸管理を最適化します
同様に、高電流PCBは慎重な熱管理も必要です。ほとんどの用途では、これは、FR4ラミネートのガラス遷移温度の内部温度を摂氏130度未満に保つことを意味します。コンポーネントの配置を最適化することは役立ちますが、熱の最小化ステップはそこで停止する必要があります。
自然の対流冷却は、小規模な家電PCBには十分かもしれませんが、高出力アプリケーションでは十分ではないかもしれません。機械的なラジエーターが必要になる場合があります。ファンやMOSFETの周りの液体冷却システムなどのアクティブな冷却も役立ちます。ただし、一部のデバイス設計は、従来のラジエーターやアクティブ冷却に対応するのに十分な大きさではない場合があります。
小さいが高性能のPCBの場合、穴による熱放散は有用な代替手段です。一連の穴が開けられた高導電性の金属は、より敏感な領域に到達する前に、MOSFETまたは同様のコンポーネントから熱を除去します。
4.適切な材料を使用します
熱管理を最適化し、コンポーネントがより高い電流に耐えることができることを保証する場合、材料の選択は非常に有益です。これは、PCBコンポーネントと基板に適用されます。
FR4は最も一般的な基質ですが、高電流PCB設計に常に最適な選択ではありません。金属コアPCBは、FR4などの基質の断熱と費用対効果のバランスと、導電性金属の強度と温度変位のバランスをとるため、理想的です。あるいは、一部のメーカーは、あなたが考慮するかもしれない特別な熱耐性ラミネートを製造しています。
繰り返しますが、熱抵抗値が高いコンポーネントのみを使用する必要があります。時には、これは耐熱性の材料を選択することを意味しますが、他の場合は同じ材料の厚い成分を使用することを意味します。どのオプションが最適かは、PCBサイズ、予算、および利用可能なサプライヤーに依存します。
5.品質管理プロセスを改善します
高電流PCBの信頼性も、生産のエラーを見つけることの問題でもあります。製造プロセスがその利点を相殺する欠陥を見つけて対処できない場合、上記の4つの設計の選択はあまり改善されません。プロトタイプの反復のより信頼性の高い品質チェックも重要です。
適切なツールを使用してPCBの品質を評価することは、この分野で最も重要な考慮事項の1つです。テンプレートとカバーとしてのデジタル光学コンパレータは、時間の経過とともに伸ばして歪んで、信頼性を妨げるときに従来の方法よりも優れています。また、人為的エラーのリスクを最小限に抑えるために、自動化が簡単なツールを検討する必要があります。
使用する特定の方法と手法に関係なく、すべての欠陥を追跡することが重要です。時間が経つにつれて、このデータは問題の出現の傾向を明らかにし、より信頼性の高いPCB設計の変更を提供します。
6.製造可能性設計
高電流PCB設計において、同様のが見過ごされがちな要因は、製造の容易さを確保することです。生産エラーが非常に一般的であるため、デバイスが紙の仕様をめったに満たしていない場合、PCBが理論的にどれほど信頼できるかは関係ありません。
解決策は、過度に複雑または複雑なデザインを可能な限り避けることです。高電流PCBを設計するときは、これらのワークフローがどのように生成され、どのような問題が生じるかを考慮して、製造プロセスを念頭に置いてください。エラーのない製品を簡単に作成できるほど、信頼性が高くなります。
このステップには、生産利害関係者との緊密な協力が必要です。社内での製造を処理しない場合は、設計段階に生産パートナーを巻き込んで、潜在的な製造可能性の問題について意見を述べてください。
7.テクノロジーを有利に使用します
新しい計画と生産技術は、これらの考慮事項のバランスを容易にすることができます。 3Dプリントは、生産エラーなしでより複雑なPCBレイアウトをサポートするためのより多くの設計柔軟性を導入します。また、その精度により、銅の配線がその長さを減らして消費電力を最小限に抑えるために、直角ではなく曲線に従うことを保証することもできます
人工知能は、調査する価値のある別の技術です。 AI PCBツールは、コンポーネントを自動的に配置したり、潜在的な設計上の問題を強調して、実際の世界にエラーが表示されないようにします。同様のソリューションは、物理的なプロトタイプを生成する前に、PCBのパフォーマンスを評価するために異なるテスト環境をシミュレートできます。
高電流PCB設計には注意が必要です
信頼できる高電流PCBを設計するのは簡単ではありませんが、不可能ではありません。これらの7つのステップに従うことで、設計プロセスを最適化して、より効率的な高出力デバイスを作成できます。
産業用モノのインターネットが成長するにつれて、これらの考慮事項はさらに重要になります。今それらを受け入れることは、将来の継続的な成功の鍵となります。