Проектирането на печатни платки е предизвикателство, особено когато устройствата стават все по-малки. Проектирането на печатни платки за висок ток е още по-сложно, защото има същите препятствия и изисква допълнителен набор от уникални фактори, които трябва да се вземат предвид.
Експертите прогнозират, че търсенето на устройства с висока мощност вероятно ще нарасне, за да достигне двуцифрени годишни темпове на растеж за индустриалния интернет на нещата до 2030 г. Ето седем стъпки за оптимизиране на дизайна на печатни платки в електрониката за висок ток за тази тенденция.
1. Осигурете достатъчен размер на кабела
Размерът на линията е едно от най-важните съображения при проектирането на печатни платки с висок ток. Медните кабели са склонни да бъдат миниатюризирани за по-компактни конструкции, но това не работи при по-високи токове. Малкото напречно сечение може да доведе до загуба на мощност поради разсейване на топлината, така че е необходим подходящо голям размер на пистата.
Можете да промените площта на напречното сечение на проводника, като регулирате два фактора: ширината на проводника и дебелината на медта. Балансирането на тези два фактора е ключът към намаляване на консумацията на енергия и поддържане на идеалния размер на печатната платка.
Използвайте калкулатора за ширина на печатната платка, за да разберете кои ширини и дебелини поддържат вида ток, необходим за вашето устройство. Когато използвате тези инструменти, внимавайте да проектирате размера на кабелите така, че да поддържа по-високи токове, отколкото смятате, че са ви необходими.
2. Преосмислете разположението на компонентите
Разположението на компонентите е друг ключов фактор при проектирането на печатни платки за висок ток. MOSFET транзисторите и подобни компоненти генерират много топлина, така че е важно да се държат максимално изолирани от други горещи или чувствителни към температурата точки. Това не винаги е лесно, когато се работи с намалени форм-фактори.
Усилвателите и конверторите трябва да се държат на подходящо разстояние от MOSFET транзистори и други нагревателни елементи. Макар че може да е изкушаващо да се поддържа зона с висока мощност по ръба, това не позволява равномерно разпределение на температурата. Вместо това, те се разполагат в прави линии по платката, за да задържат енергията, което прави топлината по-равномерна.
Като се подходи първо към най-влиятелните области, е по-лесно да се определят идеалните компоненти. Първо, определете идеалното място за високотемпературните компоненти. След като знаете къде да ги поставите, можете да използвате останалите, за да запълните празнините.
3. Оптимизиране на управлението на разсейването на топлината
По подобен начин, печатните платки с висок ток също изискват внимателно управление на температурата. За повечето приложения това означава поддържане на вътрешната температура под 130 градуса по Целзий за температурата на стъклен преход на FR4 ламинатите. Оптимизирането на разположението на компонентите ще помогне, но стъпките за минимизиране на топлината трябва да спрат дотук.
Естественото конвекционно охлаждане може да е достатъчно за по-малки печатни платки за потребителска електроника, но може да не е достатъчно за приложения с по-висока мощност. Може да са необходими механични радиатори. Активно охлаждане, като например вентилатори или системи за течно охлаждане около MOSFET транзисторите, също помага. Някои конструкции на устройства обаче може да не са достатъчно големи, за да поберат традиционните радиатори или активното охлаждане.
За по-малки, но високопроизводителни печатни платки, разсейването на топлината през отвори е полезна алтернатива. Високопроводим метал с поредица от изляти отвори ще отведе топлината от MOSFET-ите или подобни компоненти, преди тя да достигне до по-чувствителни зони.
4. Използвайте правилните материали
Изборът на материали ще бъде от голяма полза при оптимизиране на управлението на температурата и гарантиране, че компонентите могат да издържат на по-високи токове. Това се отнася за компонентите и подложките на печатни платки.
Въпреки че FR4 е най-разпространеният субстрат, той не винаги е най-добрият избор за силнотокови печатни платки. Печатните платки с метална сърцевина може да са идеални, защото балансират изолацията и рентабилността на субстрати като FR4 със здравината и температурното изместване на високопроводящите метали. Като алтернатива, някои производители произвеждат специални топлоустойчиви ламинати, които може да обмислите.
Отново, трябва да използвате само компоненти с високи стойности на термично съпротивление. Понякога това означава избор на материали, които са по-устойчиви на топлина, докато в други случаи означава използване на по-дебели компоненти от същия материал. Кой е най-добрият вариант зависи от размера на вашата печатна платка, бюджета и наличните доставчици.
5. Подобряване на процеса на контрол на качеството
Надеждността на печатните платки с висок ток е въпрос и на откриване на грешки в производството. Ако производственият процес не може да открие и отстрани дефекти, които компенсират предимствата му, тогава горните четири дизайнерски решения няма да доведат до значително подобрение. По-надеждни проверки на качеството за прототипни итерации също са важни.
Използването на правилните инструменти за оценка на качеството на печатна платка е едно от най-важните съображения в тази област. Цифровите оптични компаратори като шаблони и покрития превъзхождат традиционните методи, тъй като се разтягат и деформират с времето, което намалява тяхната надеждност. Трябва също да обмислите инструменти, които са лесни за автоматизиране, за да се сведе до минимум рискът от човешка грешка.
Независимо от специфичните методи и техники, които използвате, проследяването на всички дефекти е от решаващо значение. С течение на времето тези данни могат да разкрият тенденции в появата на проблеми, осигурявайки по-надеждни промени в дизайна на печатни платки.
6. Дизайн за технологичност
Подобен, но често пренебрегван фактор при проектирането на печатни платки за висок ток е осигуряването на лекота на производство. Ако производствените грешки са толкова често срещани, че устройството рядко отговаря на спецификациите на хартия, няма значение колко надеждна е печатната платка на теория.
Решението е да се избягват прекалено сложни или заплетени дизайни, доколкото е възможно. Когато проектирате печатни платки с висок ток, имайте предвид производствения си процес, като вземете предвид как тези работни процеси могат да ги доведат до тях и какви проблеми могат да възникнат. Колкото по-лесно можете да създадете безгрешни продукти, толкова по-надеждни ще бъдат те.
Тази стъпка изисква тясно сътрудничество със заинтересованите страни в производството. Ако не се занимавате с производството вътрешно, включете производствените си партньори във фазата на проектиране, за да получите тяхното мнение относно потенциални проблеми с производствените възможности.
7. Използвайте технологиите във ваша полза
Новите техники за планиране и производство могат да улеснят балансирането на тези съображения. 3D печатът въвежда по-голяма гъвкавост в дизайна, за да поддържа по-сложни оформления на печатни платки без производствени грешки. Неговата прецизност също така ви позволява да гарантирате, че медните кабели следват извивка, а не прав ъгъл, за да се намали дължината им и да се сведе до минимум консумацията на енергия.
Изкуственият интелект е друга технология, която си струва да се проучи. Инструментите за печатни платки с изкуствен интелект могат автоматично да поставят компоненти или да открояват потенциални проблеми в дизайна, за да предотвратят появата на грешки в реалния свят. Подобни решения могат да симулират различни тестови среди, за да оценят производителността на печатните платки, преди да се произведат физически прототипи.
Дизайнът на печатни платки с висок ток изисква повишено внимание
Проектирането на надеждна печатна платка за висок ток не е лесно, но не е и невъзможно. Следването на тези седем стъпки ще ви помогне да оптимизирате процеса на проектиране, за да създадете по-ефективни устройства с висока мощност.
С разрастването на Индустриалния интернет на нещата, тези съображения ще стават още по-важни. Приемането им сега ще бъде ключът към по-нататъшен успех в бъдеще.