يُعد تصميم أي لوحة دوائر مطبوعة (PCB) تحديًا كبيرًا، خاصةً مع ازدياد صغر حجم الأجهزة. ويُعد تصميم لوحة الدوائر المطبوعة عالية التيار أكثر تعقيدًا نظرًا لتشابه العقبات التي تواجهه، وتطلبه مراعاة مجموعة إضافية من العوامل الفريدة.
ويتوقع الخبراء أن الطلب على الأجهزة عالية الطاقة من المرجح أن يرتفع لتحقيق معدلات نمو سنوية مزدوجة الرقم لإنترنت الأشياء الصناعي بحلول عام 2030. وفيما يلي سبع خطوات لتحسين تصميم لوحات الدوائر المطبوعة في الإلكترونيات عالية التيار لهذا الاتجاه.

1. تأكد من وجود حجم كابل كافٍ
يُعد حجم الخط أحد أهم اعتبارات تصميم لوحات الدوائر المطبوعة ذات التيار العالي. يُفضّل تصغير حجم الأسلاك النحاسية للتصاميم المدمجة، ولكن هذا لا ينطبق على التيارات العالية. قد يؤدي صغر المقطع العرضي إلى فقدان الطاقة نتيجةً لتبديد الحرارة، لذا يلزم استخدام مسار ذي حجم كبير مناسب.
يمكنك تغيير مساحة المقطع العرضي للسلك بتعديل عاملين: عرض السلك وسمك النحاس. موازنة هذين العاملين هي مفتاح تقليل استهلاك الطاقة والحفاظ على الحجم المثالي للوحة الدوائر المطبوعة.
استخدم حاسبة عرض خطوط لوحة الدوائر المطبوعة (PCB) لمعرفة العرض والسمك المناسبين لنوع التيار المطلوب لجهازك. عند استخدام هذه الأدوات، احرص على تصميم حجم الأسلاك بما يدعم تيارات أعلى مما تعتقد أنك تحتاجه.

2. إعادة التفكير في وضع المكونات
يُعدّ تصميم المكونات عاملاً أساسياً آخر في تصميم لوحات الدوائر المطبوعة عالية التيار. تُولّد ترانزستورات MOSFET والمكونات المشابهة لها قدراً كبيراً من الحرارة، لذا من المهم عزلها قدر الإمكان عن المناطق الأخرى الساخنة أو الحساسة للحرارة. وهذا ليس سهلاً دائماً عند التعامل مع عوامل شكل مُخفّضة.
يجب إبقاء المُضخِّمات والمُحوِّلات على مسافة مناسبة من ترانزستورات MOSFET وعناصر التسخين الأخرى. مع أن الحفاظ على منطقة طاقة عالية عند الحافة قد يكون مُغريًا، إلا أن هذا لا يسمح بتوزيع مُنتظم لدرجة الحرارة. لذا، تُوضَع في خطوط مستقيمة على طول اللوحة للاحتفاظ بالطاقة، مما يجعل الحرارة أكثر توازنًا.
من خلال التركيز على المناطق الأكثر تأثيرًا أولًا، يُسهّل تحديد المكونات المثالية. أولًا، حدد الموقع الأمثل للمكونات عالية الحرارة. بعد تحديد مكان وضعها، يمكنك استخدام الباقي لملء الفراغات.

3. تحسين إدارة تبديد الحرارة
وبالمثل، تتطلب ألواح PCBS عالية التيار أيضًا إدارة حرارية دقيقة. في معظم التطبيقات، يعني هذا الحفاظ على درجة الحرارة الداخلية أقل من 130 درجة مئوية عند درجة حرارة انتقال الزجاج لصفائح FR4. سيساعد تحسين توزيع المكونات، ولكن يجب أن تتوقف خطوات تقليل الحرارة عند هذا الحد.
قد يكون التبريد بالحمل الحراري الطبيعي كافيًا للوحات الدوائر المطبوعة (PCBs) الإلكترونية الاستهلاكية الصغيرة، ولكنه قد لا يكون كافيًا لتطبيقات الطاقة العالية. قد تكون المشعات الميكانيكية ضرورية. كما يُساعد التبريد النشط، مثل المراوح أو أنظمة التبريد السائل حول ترانزستورات MOSFET، في ذلك. مع ذلك، قد لا تكون بعض تصميمات الأجهزة كبيرة بما يكفي لاستيعاب المشعات التقليدية أو التبريد النشط.
بالنسبة للوحات الدوائر المطبوعة (PCBS) الأصغر حجمًا ولكن عالية الأداء، يُعدّ تبديد الحرارة عبر الثقوب بديلاً مفيدًا. فالمعادن عالية التوصيل المُصبوبة بسلسلة من الثقوب تُزيل الحرارة من ترانزستورات MOSFET أو المكونات المماثلة قبل وصولها إلى المناطق الأكثر حساسية.

4. استخدم المواد المناسبة
يُعد اختيار المواد مفيدًا للغاية في تحسين الإدارة الحرارية وضمان قدرة المكونات على تحمل تيارات أعلى. وينطبق هذا على مكونات وركائز لوحات الدوائر المطبوعة (PCB).
على الرغم من أن FR4 هو الركيزة الأكثر شيوعًا، إلا أنه ليس الخيار الأمثل دائمًا لتصاميم لوحات الدوائر المطبوعة عالية التيار. قد تكون لوحات الدوائر المطبوعة ذات النواة المعدنية مثالية لأنها توازن بين عزل وفعالية المواد الأساسية مثل FR4 وقوة المعادن عالية التوصيل وقدرتها على تحمل درجات الحرارة. كبديل، تُنتج بعض الشركات المصنعة صفائح خاصة مقاومة للحرارة يمكنك التفكير فيها.
مرة أخرى، يُنصح باستخدام مكونات ذات قيم مقاومة حرارية عالية فقط. أحيانًا، يعني هذا اختيار مواد أكثر مقاومة للحرارة، وفي حالات أخرى، استخدام مكونات أكثر سمكًا من نفس المادة. يعتمد الخيار الأفضل على حجم لوحة الدوائر المطبوعة (PCB) وميزانيتك والموردين المتاحين.

5. تحسين عملية مراقبة الجودة
تعتمد موثوقية لوحات الدوائر المطبوعة عالية التيار أيضًا على اكتشاف الأخطاء في الإنتاج. إذا لم تتمكن عملية التصنيع من اكتشاف ومعالجة العيوب التي تعيق مزاياها، فلن تُحدث خيارات التصميم الأربعة المذكورة أعلاه تحسنًا يُذكر. كما أن إجراء فحوصات جودة أكثر موثوقية لتكرارات النماذج الأولية أمرٌ مهم.
يُعد استخدام الأدوات المناسبة لتقييم جودة لوحة الدوائر المطبوعة (PCB) أحد أهم الاعتبارات في هذا المجال. تتفوق المقارنات الضوئية الرقمية، كقوالب وأغطية، على الطرق التقليدية، حيث تتمدد وتتشوه بمرور الوقت، مما يُضعف موثوقيتها. كما يُنصح باستخدام أدوات سهلة الأتمتة لتقليل مخاطر الخطأ البشري.
بغض النظر عن الأساليب والتقنيات المُستخدمة، يُعدّ تتبع جميع العيوب أمرًا بالغ الأهمية. بمرور الوقت، يُمكن لهذه البيانات أن تكشف عن اتجاهات ظهور المشاكل، مما يُتيح تغييرات أكثر موثوقية في تصميم لوحات الدوائر المطبوعة.

6. تصميم قابل للتصنيع
هناك عامل مشابه، وإن كان غالبًا ما يُغفل، في تصميم لوحات الدوائر المطبوعة عالية التيار، وهو ضمان سهولة التصنيع. فإذا كانت أخطاء الإنتاج شائعة لدرجة أن الجهاز نادرًا ما يفي بالمواصفات المكتوبة، فلا أهمية لموثوقية لوحة الدوائر المطبوعة نظريًا.
الحل يكمن في تجنب التصاميم المعقدة أو المعقدة قدر الإمكان. عند تصميم لوحات الدوائر المطبوعة عالية التيار، ضع في اعتبارك عملية التصنيع، مع مراعاة كيفية إنتاجها من خلال سير العمل والمشاكل المحتملة. كلما كان تصنيع المنتجات الخالية من الأخطاء أسهل، زادت موثوقيتها.
تتطلب هذه الخطوة تعاونًا وثيقًا مع الجهات المعنية بالإنتاج. إذا لم تكن تتولى التصنيع داخليًا، فأشرك شركاء الإنتاج في مرحلة التصميم للحصول على آرائهم حول مشاكل التصنيع المحتملة.

7. استخدم التكنولوجيا لصالحك
يمكن لتقنيات التخطيط والإنتاج الجديدة أن تُسهّل موازنة هذه الاعتبارات. تُقدّم الطباعة ثلاثية الأبعاد مرونةً أكبر في التصميم لدعم تصميمات لوحات الدوائر المطبوعة (PCB) الأكثر تعقيدًا دون أخطاء إنتاجية. كما تُتيح دقتها ضمان اتباع الأسلاك النحاسية شكلًا منحنيًا بدلًا من زاوية قائمة، مما يُقلّل طولها ويُقلّل استهلاك الطاقة.
الذكاء الاصطناعي تقنية أخرى جديرة بالدراسة. تستطيع أدوات لوحات الدوائر المطبوعة (PCB) المدعومة بالذكاء الاصطناعي تركيب المكونات تلقائيًا أو تحديد مشاكل التصميم المحتملة لمنع ظهور الأخطاء في الواقع. ويمكن لحلول مماثلة محاكاة بيئات اختبار مختلفة لتقييم أداء لوحات الدوائر المطبوعة (PCBs) قبل إنتاج النماذج الأولية المادية.

يتطلب تصميم PCB ذو التيار العالي الحذر
تصميم لوحة دوائر مطبوعة (PCB) عالية التيار وموثوقة ليس بالأمر السهل، ولكنه ليس مستحيلاً. سيساعدك اتباع هذه الخطوات السبع على تحسين عملية التصميم لإنشاء أجهزة عالية الطاقة وأكثر كفاءة.
مع نمو إنترنت الأشياء الصناعي، ستزداد أهمية هذه الاعتبارات. وتبنيها الآن هو مفتاح النجاح المستمر في المستقبل.