Dizajniranje bilo koje PCB ploče je izazovno, posebno kako uređaji postaju sve manji i manji. Dizajn PCB ploče za visoku struju je još složeniji jer ima sve iste prepreke i zahtijeva dodatni skup jedinstvenih faktora koje treba uzeti u obzir.
Stručnjaci predviđaju da će potražnja za uređajima velike snage vjerovatno porasti i dostići dvocifrene godišnje stope rasta za industrijski internet stvari do 2030. godine. Evo sedam koraka za optimizaciju dizajna PCB-a u elektronici velike struje za ovaj trend.

1. Osigurajte dovoljnu veličinu kabla
Veličina voda je jedno od najvažnijih razmatranja pri dizajniranju PCB-a za jake struje. Bakarno ožičenje je obično minijaturizirano radi kompaktnijih dizajna, ali to ne funkcioniše pri većim strujama. Mali poprečni presjek može dovesti do gubitka snage zbog odvođenja toplote, tako da je potrebna odgovarajuće velika veličina voda.
Poprečni presjek žice možete promijeniti podešavanjem dva faktora: širine žice i debljine bakra. Balansiranje ova dva faktora je ključno za smanjenje potrošnje energije i održavanje idealne veličine PCB-a.
Koristite kalkulator širine PCB linije da biste saznali koje širine i debljine podržavaju vrstu struje potrebnu za vaš uređaj. Prilikom korištenja ovih alata, pazite da dizajnirate veličinu ožičenja tako da podrži veće struje nego što mislite da su vam potrebne.

2. Preispitajte postavljanje komponenti
Raspored komponenti je još jedno ključno razmatranje u dizajnu PCB-a za visoke struje. MOSFET-ovi i slične komponente generiraju mnogo topline, tako da je važno držati ih što je moguće izolovanijima od drugih vrućih ili temperaturno osjetljivih mjesta. To nije uvijek lako kada se radi o smanjenim faktorima oblika.
Pojačala i pretvarači trebaju se držati na odgovarajućoj udaljenosti od MOSFET-ova i drugih grijaćih elemenata. Iako može biti primamljivo održavati zonu visoke snage na rubu, to ne omogućava ravnomjernu raspodjelu temperature. Umjesto toga, postavljaju se u ravne linije preko ploče kako bi zadržali energiju, što čini toplinu ravnomjernijom.
Pristupom prvo najuticajnijim područjima, lakše je odrediti idealne komponente. Prvo, odredite idealnu lokaciju za komponente visoke temperature. Kada znate gdje ih postaviti, ostatak možete koristiti za popunjavanje praznina.

3. Optimizirajte upravljanje odvođenjem topline
Slično tome, PCB ploče visoke struje također zahtijevaju pažljivo termičko upravljanje. Za većinu primjena, to znači održavanje unutrašnje temperature ispod 130 stepeni Celzijusa za temperaturu staklastog prijelaza FR4 laminata. Optimizacija položaja komponenti će pomoći, ali vaši koraci za minimiziranje toplote moraju se tu zaustaviti.
Prirodno konvekcijsko hlađenje može biti dovoljno za manje PCB ploče potrošačke elektronike, ali možda neće biti dovoljno za primjene veće snage. Mogu biti potrebni mehanički radijatori. Aktivno hlađenje poput ventilatora ili sistema tečnog hlađenja oko MOSFET-ova također pomaže. Međutim, neki dizajni uređaja možda nisu dovoljno veliki da prime tradicionalne radijatore ili aktivno hlađenje.
Za manje, ali visokoperformansne PCB ploče, odvođenje toplote kroz rupe je korisna alternativa. Visoko provodljivi metal sa nizom izlivenih rupa će ukloniti toplotu sa MOSFET-ova ili sličnih komponenti prije nego što dođe do osjetljivijih područja.

4. Koristite prave materijale
Odabir materijala će biti od velike koristi pri optimizaciji upravljanja toplinom i osiguravanju da komponente mogu izdržati veće struje. Ovo se odnosi na PCB komponente i podloge.
Iako je FR4 najčešći supstrat, nije uvijek najbolji izbor za dizajn PCB-a za visoke struje. PCB-ovi s metalnom jezgrom mogu biti idealni jer uravnotežuju izolaciju i isplativost supstrata poput FR4 s čvrstoćom i temperaturnim pomakom visoko provodljivih metala. Alternativno, neki proizvođači prave posebne laminate otporne na toplinu koje biste mogli razmotriti.
Ponavljam, trebali biste koristiti samo komponente s visokim vrijednostima termičke otpornosti. Ponekad to znači odabir materijala koji su otporniji na toplinu, dok u drugim slučajevima to znači korištenje debljih komponenti od istog materijala. Koja je opcija najbolja zavisi od veličine vaše PCB ploče, budžeta i dostupnih dobavljača.

5. Poboljšati proces kontrole kvaliteta
Pouzdanost visokostrujnih PCB ploča je također stvar pronalaženja grešaka u proizvodnji. Ako proizvodni proces ne može pronaći i otkloniti nedostatke koji poništavaju njegove prednosti, onda gore navedena četiri izbora dizajna neće donijeti mnogo poboljšanja. Pouzdanije provjere kvalitete za iteracije prototipa su također važne.
Korištenje pravih alata za procjenu kvalitete PCB-a jedno je od najvažnijih razmatranja u ovoj oblasti. Digitalni optički komparatori kao šabloni i premazi nadmašuju tradicionalne metode jer se vremenom istežu i iskrivljuju, što smanjuje njihovu pouzdanost. Također biste trebali razmotriti alate koje je lako automatizirati kako biste smanjili rizik od ljudske greške.
Bez obzira na specifične metode i tehnike koje koristite, praćenje svih defekata je ključno. Vremenom, ovi podaci mogu otkriti trendove u pojavi problema, omogućavajući pouzdanije promjene u dizajnu PCB-a.

6. Dizajn proizvodljivosti
Sličan, ali često zanemaren faktor u dizajnu PCB-a za jake struje je osiguranje jednostavnosti proizvodnje. Ako su greške u proizvodnji toliko česte da uređaj rijetko ispunjava specifikacije na papiru, nije važno koliko je PCB pouzdan u teoriji.
Rješenje je izbjegavati previše složene ili zamršene dizajne koliko god je to moguće. Prilikom dizajniranja PCB-a visoke struje, imajte na umu svoj proizvodni proces, uzimajući u obzir kako ovi radni procesi mogu dovesti do njihovog nastanka i koji problemi mogu nastati. Što lakše možete napraviti proizvode bez grešaka, to će oni biti pouzdaniji.
Ovaj korak zahtijeva blisku saradnju sa zainteresovanim stranama u proizvodnji. Ako ne obavljate proizvodnju interno, uključite svoje proizvodne partnere u fazu dizajniranja kako biste dobili njihov doprinos o potencijalnim problemima s proizvodnošću.

7. Iskoristite tehnologiju u svoju korist
Nove tehnike planiranja i proizvodnje mogu olakšati balansiranje ovih razmatranja. 3D printanje uvodi veću fleksibilnost dizajna kako bi se podržali složeniji rasporedi PCB-a bez grešaka u proizvodnji. Njegova preciznost također vam omogućava da osigurate da bakrene žice prate krivulju, a ne pravi ugao, kako bi se smanjila njihova dužina i smanjila potrošnja energije.
Umjetna inteligencija je još jedna tehnologija vrijedna istraživanja. AI PCB alati mogu automatski postavljati komponente ili istaknuti potencijalne probleme u dizajnu kako bi spriječili pojavu grešaka u stvarnom svijetu. Slična rješenja mogu simulirati različita testna okruženja kako bi se procijenile performanse PCB-a prije proizvodnje fizičkih prototipova.

Dizajn PCB-a za visoke struje zahtijeva oprez
Dizajniranje pouzdane PCB ploče za visoku struju nije lako, ali nije ni nemoguće. Slijeđenje ovih sedam koraka pomoći će vam da optimizirate proces dizajniranja kako biste stvorili efikasnije uređaje velike snage.
Kako Industrijski Internet Stvari raste, ova razmatranja će postati još važnija. Njihovo prihvatanje sada će biti ključ za kontinuirani uspjeh u budućnosti.