Návrh jakékoli desky plošných spojů je náročný, zejména proto, že se součástky stále zmenšují. Návrh desky plošných spojů pro vysoký proud je ještě složitější, protože má všechny stejné překážky a vyžaduje zvážení další sady jedinečných faktorů.
Odborníci předpovídají, že poptávka po vysoce výkonných zařízeních pravděpodobně vzroste a do roku 2030 dosáhne dvouciferného ročního tempa růstu v oblasti průmyslového internetu věcí. Zde je sedm kroků k optimalizaci návrhu desek plošných spojů ve vysokoproudé elektronice s ohledem na tento trend.

1. Zajistěte dostatečnou velikost kabelu
Velikost vodiče je jedním z nejdůležitějších konstrukčních aspektů pro desky plošných spojů s vysokým proudem. Měděné vodiče mají tendenci být miniaturizovány pro kompaktnější provedení, ale to nefunguje při vyšších proudech. Malý průřez může vést ke ztrátám výkonu v důsledku odvodu tepla, proto je vyžadována dostatečně velká velikost vodiče.
Průřez drátu můžete změnit úpravou dvou faktorů: šířky drátu a tloušťky mědi. Vyvážení těchto dvou faktorů je klíčem ke snížení spotřeby energie a udržení ideální velikosti desky plošných spojů.
Pomocí kalkulačky šířky vodičů desek plošných spojů zjistěte, které šířky a tloušťky podporují typ proudu potřebný pro vaše zařízení. Při používání těchto nástrojů dbejte na to, abyste navrhli velikost vodičů tak, aby podporovala vyšší proudy, než si myslíte, že potřebujete.

2. Přehodnoťte umístění komponent
Rozložení součástek je dalším klíčovým faktorem při návrhu desek plošných spojů pro vysoké proudy. MOSFETy a podobné součástky generují velké množství tepla, proto je důležité je co nejvíce izolovat od jiných horkých nebo teplotně citlivých míst. To není vždy snadné, pokud se jedná o redukované rozměry.
Zesilovače a měniče by měly být umístěny v dostatečné vzdálenosti od MOSFETů a dalších topných prvků. I když může být lákavé udržovat zónu s vysokým výkonem na okraji, neumožňuje to rovnoměrné rozložení teploty. Místo toho jsou umístěny v přímých liniích po celé desce, aby se udržela energie, což vede k rovnoměrnějšímu rozložení tepla.
Pokud se nejprve zaměříte na nejvlivnější oblasti, je snazší určit ideální komponenty. Nejprve určete ideální umístění pro komponenty s vysokou teplotou. Jakmile budete vědět, kam je umístit, můžete zbytek použít k vyplnění mezer.

3. Optimalizace řízení odvodu tepla
Podobně i desky plošných spojů s vysokým proudem vyžadují pečlivé řízení teploty. Pro většinu aplikací to znamená udržovat vnitřní teplotu pod 130 stupňů Celsia pro dosažení teploty skelného přechodu laminátů FR4. Optimalizace umístění součástek pomůže, ale vaše kroky k minimalizaci tepla se musí tímto zastavit.
Chlazení přirozenou konvekcí může být dostatečné pro menší desky plošných spojů spotřební elektroniky, ale nemusí být dostatečné pro aplikace s vyšším výkonem. Mohou být nezbytné mechanické chladiče. Pomáhá také aktivní chlazení, jako jsou ventilátory nebo kapalinové chladicí systémy kolem MOSFETů. Některé konstrukce zařízení však nemusí být dostatečně velké pro tradiční chladiče nebo aktivní chlazení.
Pro menší, ale vysoce výkonné desky plošných spojů je užitečnou alternativou odvod tepla otvory. Vysoce vodivý kov s řadou nalitých otvorů odvede teplo z MOSFETů nebo podobných součástek dříve, než se dostane do citlivějších oblastí.

4. Používejte správné materiály
Výběr materiálu bude velkým přínosem při optimalizaci tepelného managementu a zajištění toho, aby součástky odolaly vyšším proudům. To platí pro součástky a substráty plošných spojů.
Přestože je FR4 nejběžnějším substrátem, není vždy tou nejlepší volbou pro konstrukce desek plošných spojů s vysokým proudem. DPS s kovovým jádrem mohou být ideální, protože vyvažují izolaci a cenovou efektivitu substrátů, jako je FR4, s pevností a teplotním posunem vysoce vodivých kovů. Alternativně někteří výrobci vyrábějí speciální tepelně odolné lamináty, které byste mohli zvážit.
Opět byste měli používat pouze součástky s vysokými hodnotami tepelného odporu. Někdy to znamená výběr materiálů, které jsou odolnější vůči teplu, zatímco v jiných případech to znamená použití silnějších součástek ze stejného materiálu. Nejlepší možnost závisí na velikosti vaší desky plošných spojů, rozpočtu a dostupných dodavatelích.

5. Zlepšit proces kontroly kvality
Spolehlivost silnoproudých desek plošných spojů je také otázkou hledání chyb ve výrobě. Pokud výrobní proces nedokáže najít a opravit vady, které by vyvážily jeho výhody, pak výše uvedené čtyři konstrukční možnosti nepřinesou velké zlepšení. Důležité jsou také spolehlivější kontroly kvality prototypových iterací.
Použití správných nástrojů k vyhodnocení kvality desek plošných spojů je jedním z nejdůležitějších faktorů v oboru. Digitální optické komparátory jako šablony a kryty překonávají tradiční metody, protože se časem natahují a deformují, což snižuje jejich spolehlivost. Měli byste také zvážit nástroje, které lze snadno automatizovat, aby se minimalizovalo riziko lidské chyby.
Bez ohledu na konkrétní metody a techniky, které používáte, je sledování všech defektů zásadní. Tato data mohou časem odhalit trendy ve vzniku problémů a poskytnout spolehlivější změny v návrhu desek plošných spojů.

6. Návrh vyrobitelnosti
Podobným, ale často přehlíženým faktorem při návrhu desek plošných spojů pro vysoké proudy je zajištění snadné výroby. Pokud jsou výrobní chyby tak běžné, že zařízení jen zřídka splňuje specifikace na papíře, nezáleží na tom, jak spolehlivá je deska plošných spojů teoreticky.
Řešením je co nejvíce se vyhnout příliš složitým nebo komplikovaným návrhům. Při navrhování silnoproudých desek plošných spojů mějte na paměti svůj výrobní proces a zvažte, jak by tyto pracovní postupy mohly vést k jejich vzniku a jaké problémy by mohly nastat. Čím snadněji dokážete vyrobit bezchybné produkty, tím spolehlivější budou.
Tento krok vyžaduje úzkou spolupráci se zúčastněnými stranami ve výrobě. Pokud si výrobu nezajišťujete interně, zapojte své výrobní partnery do fáze návrhu, abyste získali jejich názor na potenciální problémy s vyrobitelností.

7. Využijte technologie ve svůj prospěch
Nové plánovací a výrobní techniky mohou usnadnit vyvážení těchto aspektů. 3D tisk přináší větší flexibilitu návrhu a podporuje složitější rozvržení desek plošných spojů bez výrobních chyb. Jeho přesnost také umožňuje zajistit, aby měděné vodiče sledovaly křivku, nikoli pravý úhel, čímž se zkrátí jejich délka a minimalizuje spotřeba energie.
Další technologií, která stojí za prozkoumání, je umělá inteligence. Nástroje pro desky plošných spojů s umělou inteligencí dokáží automaticky umisťovat součástky nebo zvýrazňovat potenciální problémy s návrhem, aby se zabránilo chybám v reálném světě. Podobná řešení mohou simulovat různá testovací prostředí a vyhodnotit výkon desek plošných spojů před výrobou fyzických prototypů.

Návrh vysokoproudých desek plošných spojů vyžaduje opatrnost
Navrhování spolehlivé desky plošných spojů pro vysoký proud není snadné, ale není to nemožné. Dodržení těchto sedmi kroků vám pomůže optimalizovat proces návrhu a vytvořit efektivnější zařízení s vysokým výkonem.
S růstem průmyslového internetu věcí budou tyto aspekty ještě důležitější. Jejich přijetí nyní bude klíčem k dalšímu úspěchu v budoucnu.