Projektowanie dowolnej płytki drukowanej jest trudne, zwłaszcza gdy urządzenia stają się coraz mniejsze. PCB o wysokiej prądu jest jeszcze bardziej złożona, ponieważ ma wszystkie te same przeszkody i wymaga dodatkowego zestawu unikalnych czynników do rozważenia.
Eksperci przewidują, że popyt na urządzenia o dużej mocy prawdopodobnie wzrośnie o dwucyfrowe roczne stopy wzrostu dla IoT przemysłowego do 2030 r. Oto siedem kroków w celu optymalizacji projektu PCB w elektronice o wysokiej prądu dla tego trendu.

1. Utrzymanie wystarczającej wielkości kabla
Rozmiar linii jest jednym z najważniejszych wzglętów projektowych dla wysokich obecnych PCB. Okablowanie miedziane było zwykle miniaturyzowane pod kątem bardziej kompaktowych projektów, ale nie działa to przy wyższych prądach. Mały przekrój może prowadzić do utraty mocy poprzez rozpraszanie ciepła, więc wymagany jest odpowiedni duży rozmiar ścieżki.
Możesz zmienić obszar przekroju drutu, dostosowując dwa czynniki: szerokość drutu i grubość miedzi. Równoważenie tych dwóch jest kluczem do zmniejszenia zużycia energii i utrzymania idealnego rozmiaru PCB.
Użyj kalkulatora szerokości linii PCB, aby dowiedzieć się, które szerokości i grubości obsługują rodzaj prądu wymaganego dla urządzenia. Korzystając z tych narzędzi, uważaj, aby zaprojektować rozmiar okablowania, aby obsługiwać wyższe prądy, niż myślisz.

2. Umieszczenie komponentów recytują
Układ komponentu jest kolejnym kluczowym czynnikiem w projektowaniu PCB o wysokiej prądu. MOSFET i podobne komponenty generują dużo ciepła, dlatego ważne jest, aby zachować je jak najbardziej izolowane od innych gorących lub wrażliwych na temperaturę plamów. Nie zawsze jest to łatwe w radzeniu sobie z czynnikami o zmniejszonej formie.
Wzmacniacze i konwertery powinny być przechowywane w odpowiedniej odległości od MOSFET i innych elementów grzewczych. Chociaż może być kuszące utrzymanie strefy dużej mocy na krawędzi, nie pozwala to na jednolity rozkład temperatury. Zamiast tego są umieszczane w liniach prostych na całej planszy, aby zachować energię, co sprawia, że ​​ciepło jest bardziej równe.
Zbliżając się do najbardziej wpływowych obszarów, łatwiej jest określić idealne elementy. Najpierw określ idealne miejsce dla komponentów o wysokiej temperaturze. Gdy wiesz, gdzie je umieścić, możesz użyć reszty, aby wypełnić luki.

3. Optymalizuj zarządzanie rozpraszaniem ciepła
Podobnie, wysokie prądu PCB wymagają również starannego zarządzania termicznego. W przypadku większości zastosowań oznacza to utrzymanie temperatury wewnętrznej poniżej 130 stopni Celsjusza dla szklanej temperatury przejściowej laminatów FR4. Pomoże optymalizacja umieszczania komponentów, ale kroki minimalizacji ciepła muszą się tam zatrzymać.
Naturalne chłodzenie konwekcji może być wystarczające do mniejszych komputerów PCB elektroniki użytkowej, ale może nie wystarczyć do zastosowań o wyższej mocy. Konieczne mogą być mechaniczne grzejniki. Pomaga również aktywne chłodzenie, takie jak wentylatory lub systemy chłodzenia płynnego wokół MOSFET. Jednak niektóre projekty urządzeń mogą nie być wystarczająco duże, aby pomieścić tradycyjne grzejniki lub aktywne chłodzenie.
W przypadku mniejszych, ale wysokowydajnych PCB rozpraszanie ciepła przez otwory jest przydatną alternatywą. Wysoce przewodzący metal z serią wylewanych otworów usunie ciepło z MOSFET lub podobnych komponentów, zanim osiągnie bardziej wrażliwe obszary.

4. Zastosuj odpowiednie materiały
Wybór materiałów będzie bardzo korzystny przy optymalizacji zarządzania termicznego i zapewnienia, że ​​komponenty mogą wytrzymać wyższe prądy. Dotyczy to komponentów i substratów PCB.
Chociaż FR4 jest najczęstszym podłożem, nie zawsze jest najlepszym wyborem dla projektów PCB o wysokiej prądu. PCB rdzeniowe mogą być idealne, ponieważ równoważą izolację i opłacalność substratów, takich jak FR4 z wytrzymałością i przemieszczeniem temperatury metali wysoce przewodzących. Alternatywnie, niektórzy producenci wykonują specjalne laminaty odporne na ciepło, które można rozważyć.
Ponownie, należy używać tylko komponentów o wysokich wartościach oporu termicznego. Czasami oznacza to wybór materiałów, które są bardziej odporne na ciepło, podczas gdy w innych przypadkach oznacza to stosowanie grubszych składników tego samego materiału. Która opcja najlepiej zależy od wielkości PCB, budżetu i dostępnych dostawców.

5. Poprowadź proces kontroli jakości
Niezawodność wysokoprądowych PCB jest również kwestią znalezienia błędów w produkcji. Jeśli proces produkcyjny nie może znaleźć i zająć się wadami, które zrównoważyły ​​jego zalety, powyższe cztery opcje projektowe nie przyniosą dużej poprawy. Ważne są również bardziej niezawodne kontrole jakości iteracji prototypowych.
Korzystanie z odpowiednich narzędzi do oceny jakości PCB jest jednym z najważniejszych rozważań w terenie. Cyfrowe komparatory optyczne jako szablony i pokrycia przewyższają tradycyjne metody, gdy z czasem rozciągają się i zniekształcają, utrudniając ich niezawodność. Powinieneś również rozważyć narzędzia, które można łatwo zautomatyzować, aby zminimalizować ryzyko błędu ludzkiego.
Niezależnie od określonych metod i technik, których używasz, śledzenie wszystkich wad ma kluczowe znaczenie. Z czasem dane te mogą ujawnić trendy w pojawieniu się problemów, zapewniając bardziej niezawodne zmiany projektu PCB.

6. Projektowanie zdolności do tworzenia
Podobnym, ale często pomijanym czynnikiem w konstrukcji PCB o wysokiej prądu jest zapewnienie łatwości produkcji. Jeśli błędy produkcyjne są tak powszechne, że urządzenie rzadko spełnia specyfikacje na papierze, nie ma znaczenia, jak niezawodna jest PCB teoretycznie.
Rozwiązaniem jest jak najwięcej unikać zbyt złożonych lub skomplikowanych wzorów. Projektując wysokie prąd PCB, pamiętaj o procesie produkcyjnym, biorąc pod uwagę, w jaki sposób te przepływy pracy mogą je wytwarzać i jakie problemy mogą się pojawić. Im łatwiej możesz tworzyć produkty bezbłędne, tym bardziej niezawodne będą.
Ten krok wymaga ścisłej współpracy z zainteresowanymi stronami. Jeśli nie zajmujesz się produkcją wewnętrzną, zaangażuj swoich partnerów produkcyjnych w fazie projektowania, aby uzyskać ich wkład w potencjalne problemy z produkcją.

7. Wykorzystaj technologię na swoją korzyść
Nowe techniki planowania i produkcji mogą ułatwić równoważenie tych rozważań. Drukowanie 3D wprowadza większą elastyczność projektowania, aby obsługiwać bardziej złożone układy PCB bez błędów produkcyjnych. Jego precyzja pozwala również upewnić się, że okablowanie miedzi jest zgodne z krzywą, a nie kątem prostym, aby zmniejszyć jego długość i zminimalizować zużycie energii
Sztuczna inteligencja to kolejna technologia, którą warto zbadać. Narzędzia PCB AI mogą automatycznie umieszczać komponenty lub podkreślać potencjalne problemy projektowe, aby zapobiec pojawieniu się błędów w prawdziwym świecie. Podobne roztwory mogą symulować różne środowiska testowe, aby ocenić wydajność PCB przed wytworzeniem fizycznych prototypów.

Wysoka obecna konstrukcja PCB wymaga ostrożności
Projektowanie niezawodnej płytki PCB o wysokiej prądu nie jest łatwe, ale nie jest niemożliwe. Po tych siedmiu krokach pomoże Ci zoptymalizować proces projektowania w celu stworzenia bardziej wydajnych urządzeń o dużej mocy.
W miarę wzrostu przemysłowego Internetu rzeczy, rozważania te staną się jeszcze ważniejsze. Objęcie ich teraz będzie kluczem do dalszego sukcesu w przyszłości.