Det er udfordrende at designe et printkort, især i takt med at enheder bliver mindre og mindre. Design af printkort til høj strømstyrke er endnu mere komplekst, fordi det har alle de samme forhindringer og kræver et yderligere sæt unikke faktorer at tage i betragtning.
Eksperter forudsiger, at efterspørgslen efter højtydende enheder sandsynligvis vil stige og opnå tocifrede årlige vækstrater for den industrielle tingenes internet inden 2030. Her er syv trin til at optimere printkortdesign i højstrømselektronik til denne tendens.

1. Sørg for tilstrækkelig kabelstørrelse
Ledningsstørrelse er en af ​​de vigtigste designhensyn til printkort med høj strømstyrke. Kobberledninger har en tendens til at blive miniaturiseret for at opnå mere kompakte designs, men dette fungerer ikke ved højere strømstyrker. Et lille tværsnit kan føre til effekttab gennem varmeafledning, så en passende stor sporstørrelse er nødvendig.
Du kan ændre ledningens tværsnitsareal ved at justere to faktorer: ledningens bredde og kobberets tykkelse. At afbalancere disse to er nøglen til at reducere strømforbruget og opretholde den ideelle printkortstørrelse.
Brug PCB-linjebreddeberegneren til at finde ud af, hvilke bredder og tykkelser der understøtter den type strøm, der kræves til din enhed. Når du bruger disse værktøjer, skal du være omhyggelig med at designe ledningsstørrelsen til at understøtte højere strømme, end du tror, ​​du har brug for.

2. Gentænk placeringen af ​​komponenter
Komponentlayout er en anden vigtig overvejelse i design af højspændings-PCB'er. MOSFET'er og lignende komponenter genererer meget varme, så det er vigtigt at holde dem så isoleret fra andre varme eller temperaturfølsomme områder som muligt. Dette er ikke altid let, når man har at gøre med reducerede formfaktorer.
Forstærkere og konvertere bør holdes i passende afstand fra MOSFET'er og andre varmeelementer. Selvom det kan være fristende at opretholde en højeffektzone i kanten, tillader dette ikke en ensartet temperaturfordeling. I stedet placeres de i lige linjer på tværs af kortet for at bevare energien, hvilket gør varmen mere jævn.
Ved at gribe fat i de mest indflydelsesrige områder først, er det lettere at bestemme de ideelle komponenter. Bestem først den ideelle placering for komponenterne med høj temperatur. Når du ved, hvor du skal placere dem, kan du bruge resten til at udfylde hullerne.

3. Optimer varmeafledningsstyring
På samme måde kræver højstrøms-PCB'er også omhyggelig termisk styring. For de fleste anvendelser betyder det at holde den indre temperatur under 130 grader Celsius for glasovergangstemperaturen for FR4-laminater. Optimering af komponentplacering vil hjælpe, men dine varmeminimeringstrin skal stoppe der.
Naturlig konvektionskøling kan være tilstrækkelig til mindre forbrugerelektronik-printkort, men muligvis ikke tilstrækkelig til applikationer med højere effekt. Mekaniske radiatorer kan være nødvendige. Aktiv køling såsom ventilatorer eller væskekølesystemer omkring MOSFET'erne hjælper også. Nogle enhedsdesign er dog muligvis ikke store nok til at rumme traditionelle radiatorer eller aktiv køling.
For mindre, men højtydende printkort er varmeafledning gennem huller et nyttigt alternativ. Et meget ledende metal med en række huller støbt i vil fjerne varme fra MOSFET'er eller lignende komponenter, før den når mere følsomme områder.

4. Brug de rigtige materialer
Materialevalg vil være til stor fordel, når man optimerer termisk styring og sikrer, at komponenterne kan modstå højere strømme. Dette gælder for printkortkomponenter og substrater.
Selvom FR4 er det mest almindelige substrat, er det ikke altid det bedste valg til printkortdesign med høj strømstyrke. Metalkerneprintkort kan være ideelle, fordi de balancerer isoleringen og omkostningseffektiviteten af ​​substrater som FR4 med styrken og temperaturforskydningen af ​​meget ledende metaller. Alternativt fremstiller nogle producenter specielle varmebestandige laminater, som du måske kan overveje.
Igen bør du kun bruge komponenter med høje termiske modstandsværdier. Nogle gange betyder det at vælge materialer, der er mere varmebestandige, mens det i andre tilfælde betyder at bruge tykkere komponenter af samme materiale. Hvilken mulighed der er bedst afhænger af din printpladestørrelse, budget og tilgængelige leverandører.

5. Forbedre kvalitetskontrolprocessen
Pålideligheden af ​​højstrøms-PCB'er er også et spørgsmål om at finde fejl i produktionen. Hvis fremstillingsprocessen ikke kan finde og adressere defekter, der opvejer dens fordele, vil ovenstående fire designvalg ikke give meget forbedring. Mere pålidelige kvalitetskontroller for prototype-iterationer er også vigtige.
Brugen af ​​de rigtige værktøjer til at evaluere kvaliteten af ​​et printkort er en af ​​de vigtigste overvejelser inden for området. Digitale optiske komparatorer som skabeloner og belægninger overgår traditionelle metoder, da de strækker sig og forvrænger over tid, hvilket hæmmer deres pålidelighed. Du bør også overveje værktøjer, der er nemme at automatisere, for at minimere risikoen for menneskelige fejl.
Uanset hvilke specifikke metoder og teknikker du bruger, er det afgørende at spore alle defekter. Over tid kan disse data afsløre tendenser i problemernes fremkomst og dermed give mere pålidelige ændringer i printkortets design.

6. Fremstillingsdesign
En lignende, men ofte overset faktor i design af højspændings-PCB'er er at sikre nem fremstilling. Hvis produktionsfejl er så almindelige, at enheden sjældent opfylder specifikationerne på papiret, er det ligegyldigt, hvor pålideligt PCB'et er i teorien.
Løsningen er at undgå alt for komplekse eller indviklede designs så meget som muligt. Når du designer højstrøms-printkort, skal du huske på din fremstillingsproces og overveje, hvordan disse arbejdsgange kan producere dem, og hvilke problemer der kan opstå. Jo lettere du kan fremstille fejlfri produkter, desto mere pålidelige vil de være.
Dette trin kræver et tæt samarbejde med produktionsinteressenter. Hvis du ikke håndterer produktionen internt, så involver dine produktionspartnere i designfasen for at få deres input til potentielle produktionsproblemer.

7. Brug teknologi til din fordel
Nye planlægnings- og produktionsteknikker kan gøre det nemmere at afveje disse overvejelser. 3D-printning introducerer mere designfleksibilitet til at understøtte mere komplekse printkortlayouts uden produktionsfejl. Dens præcision giver dig også mulighed for at sikre, at kobberledningerne følger en kurve i stedet for en ret vinkel for at reducere længden og minimere strømforbruget.
Kunstig intelligens er en anden teknologi, der er værd at undersøge. AI PCB-værktøjer kan automatisk placere komponenter eller fremhæve potentielle designproblemer for at forhindre fejl i at opstå i den virkelige verden. Lignende løsninger kan simulere forskellige testmiljøer for at evaluere PCB'ers ydeevne, før der produceres fysiske prototyper.

Højstrøms printkortdesign kræver forsigtighed
Det er ikke nemt at designe et pålideligt højstrøms-PCB, men det er heller ikke umuligt. Ved at følge disse syv trin kan du optimere din designproces og skabe mere effektive enheder med høj effekt.
Efterhånden som det industrielle internet of things vokser, vil disse overvejelser blive endnu vigtigere. At omfavne dem nu vil være nøglen til fortsat succes i fremtiden.