Ο σχεδιασμός οποιασδήποτε πλακέτας τυπωμένου κυκλώματος (PCB) είναι απαιτητικός, ειδικά καθώς οι συσκευές γίνονται όλο και μικρότερες. Ο σχεδιασμός PCB υψηλού ρεύματος είναι ακόμη πιο περίπλοκος επειδή έχει όλα τα ίδια εμπόδια και απαιτεί ένα επιπλέον σύνολο μοναδικών παραγόντων που πρέπει να ληφθούν υπόψη.
Οι ειδικοί προβλέπουν ότι η ζήτηση για συσκευές υψηλής ισχύος είναι πιθανό να αυξηθεί, ώστε να επιτευχθούν διψήφιοι ετήσιοι ρυθμοί ανάπτυξης για το βιομηχανικό διαδίκτυο των πραγμάτων έως το 2030. Ακολουθούν επτά βήματα για τη βελτιστοποίηση του σχεδιασμού PCB σε ηλεκτρονικά υψηλής τάσης για αυτήν την τάση.

1. Εξασφαλίστε επαρκές μέγεθος καλωδίου
Το μέγεθος της γραμμής είναι ένα από τα πιο σημαντικά ζητήματα σχεδιασμού για τα PCB υψηλού ρεύματος. Η καλωδίωση χαλκού τείνει να είναι μικροσκοπική για πιο συμπαγή σχέδια, αλλά αυτό δεν λειτουργεί σε υψηλότερα ρεύματα. Μια μικρή διατομή μπορεί να οδηγήσει σε απώλεια ισχύος μέσω της απαγωγής θερμότητας, επομένως απαιτείται ένα κατάλληλα μεγάλο μέγεθος γραμμής.
Μπορείτε να αλλάξετε την εγκάρσια διατομή του σύρματος προσαρμόζοντας δύο παράγοντες: το πλάτος του σύρματος και το πάχος του χαλκού. Η εξισορρόπηση αυτών των δύο είναι το κλειδί για τη μείωση της κατανάλωσης ενέργειας και τη διατήρηση του ιδανικού μεγέθους της πλακέτας τυπωμένου κυκλώματος (PCB).
Χρησιμοποιήστε την αριθμομηχανή πλάτους γραμμής PCB για να μάθετε ποια πλάτη και πάχη υποστηρίζουν τον τύπο ρεύματος που απαιτείται για τη συσκευή σας. Όταν χρησιμοποιείτε αυτά τα εργαλεία, προσέξτε να σχεδιάσετε το μέγεθος της καλωδίωσης ώστε να υποστηρίζει υψηλότερα ρεύματα από αυτά που νομίζετε ότι χρειάζεστε.

2. Επανεξετάστε την τοποθέτηση των εξαρτημάτων
Η διάταξη των εξαρτημάτων είναι μια άλλη βασική παράμετρος στο σχεδιασμό πλακετών τυπωμένων κυκλωμάτων υψηλού ρεύματος. Τα MOSFET και παρόμοια εξαρτήματα παράγουν πολλή θερμότητα, επομένως είναι σημαντικό να τα διατηρείτε όσο το δυνατόν πιο απομονωμένα από άλλα θερμά ή ευαίσθητα στη θερμοκρασία σημεία. Αυτό δεν είναι πάντα εύκολο όταν πρόκειται για μειωμένους παράγοντες μορφής.
Οι ενισχυτές και οι μετατροπείς θα πρέπει να διατηρούνται σε κατάλληλη απόσταση από τα MOSFET και άλλα θερμαντικά στοιχεία. Ενώ μπορεί να είναι δελεαστικό να διατηρείται μια ζώνη υψηλής ισχύος στην άκρη, αυτό δεν επιτρέπει ομοιόμορφη κατανομή θερμοκρασίας. Αντίθετα, τοποθετούνται σε ευθείες γραμμές κατά μήκος της πλακέτας για να διατηρούν την ενέργεια, γεγονός που καθιστά τη θερμότητα πιο ομοιόμορφη.
Προσεγγίζοντας πρώτα τις περιοχές με τη μεγαλύτερη επιρροή, είναι ευκολότερο να προσδιορίσετε τα ιδανικά εξαρτήματα. Αρχικά, προσδιορίστε την ιδανική θέση για τα εξαρτήματα υψηλής θερμοκρασίας. Μόλις μάθετε πού να τα τοποθετήσετε, μπορείτε να χρησιμοποιήσετε τα υπόλοιπα για να συμπληρώσετε τα κενά.

3. Βελτιστοποιήστε τη διαχείριση της απαγωγής θερμότητας
Ομοίως, τα PCB υψηλού ρεύματος απαιτούν επίσης προσεκτική θερμική διαχείριση. Για τις περισσότερες εφαρμογές, αυτό σημαίνει διατήρηση της εσωτερικής θερμοκρασίας κάτω από 130 βαθμούς Κελσίου για τη θερμοκρασία υαλώδους μετάπτωσης των ελασμάτων FR4. Η βελτιστοποίηση της τοποθέτησης των εξαρτημάτων θα βοηθήσει, αλλά τα βήματα ελαχιστοποίησης της θερμότητας πρέπει να σταματήσουν εκεί.
Η φυσική ψύξη με συναγωγή μπορεί να επαρκεί για μικρότερα PCB ηλεκτρονικών ειδών ευρείας κατανάλωσης, αλλά μπορεί να μην επαρκεί για εφαρμογές υψηλότερης ισχύος. Μπορεί να είναι απαραίτητα μηχανικά θερμαντικά σώματα. Βοηθά επίσης η ενεργητική ψύξη, όπως ανεμιστήρες ή συστήματα υγρής ψύξης γύρω από τα MOSFET. Ωστόσο, ορισμένα σχέδια συσκευών ενδέχεται να μην είναι αρκετά μεγάλα για να φιλοξενήσουν παραδοσιακά θερμαντικά σώματα ή ενεργητική ψύξη.
Για μικρότερα αλλά υψηλής απόδοσης PCB, η απαγωγή θερμότητας μέσω οπών αποτελεί μια χρήσιμη εναλλακτική λύση. Ένα μέταλλο υψηλής αγωγιμότητας με μια σειρά από οπές θα απομακρύνει τη θερμότητα από τα MOSFET ή παρόμοια εξαρτήματα πριν φτάσει σε πιο ευαίσθητες περιοχές.

4. Χρησιμοποιήστε τα σωστά υλικά
Η επιλογή υλικού θα είναι πολύ ωφέλιμη κατά τη βελτιστοποίηση της θερμικής διαχείρισης και τη διασφάλιση ότι τα εξαρτήματα μπορούν να αντέξουν υψηλότερα ρεύματα. Αυτό ισχύει για τα εξαρτήματα και τα υποστρώματα PCB.
Παρόλο που το FR4 είναι το πιο συνηθισμένο υπόστρωμα, δεν είναι πάντα η καλύτερη επιλογή για σχέδια PCB υψηλού ρεύματος. Τα PCB με μεταλλικό πυρήνα μπορεί να είναι ιδανικά επειδή εξισορροπούν τη μόνωση και την οικονομική αποδοτικότητα υποστρωμάτων όπως το FR4 με την αντοχή και τη θερμοκρασιακή μετατόπιση των μετάλλων υψηλής αγωγιμότητας. Εναλλακτικά, ορισμένοι κατασκευαστές κατασκευάζουν ειδικά ανθεκτικά στη θερμότητα ελάσματα που μπορείτε να εξετάσετε.
Και πάλι, θα πρέπει να χρησιμοποιείτε μόνο εξαρτήματα με υψηλές τιμές θερμικής αντίστασης. Μερικές φορές, αυτό σημαίνει την επιλογή υλικών που είναι πιο ανθεκτικά στη θερμότητα, ενώ σε άλλες περιπτώσεις σημαίνει τη χρήση παχύτερων εξαρτημάτων από το ίδιο υλικό. Ποια επιλογή είναι η καλύτερη εξαρτάται από το μέγεθος της πλακέτας τυπωμένου κυκλώματος (PCB), τον προϋπολογισμό και τους διαθέσιμους προμηθευτές.

5. Βελτίωση της διαδικασίας ποιοτικού ελέγχου
Η αξιοπιστία των PCB υψηλού ρεύματος εξαρτάται επίσης από την εύρεση σφαλμάτων στην παραγωγή. Εάν η διαδικασία κατασκευής δεν μπορεί να εντοπίσει και να αντιμετωπίσει ελαττώματα που αντισταθμίζουν τα πλεονεκτήματά της, τότε οι παραπάνω τέσσερις επιλογές σχεδιασμού δεν θα αποφέρουν μεγάλη βελτίωση. Οι πιο αξιόπιστοι έλεγχοι ποιότητας για τις επαναλήψεις πρωτοτύπων είναι επίσης σημαντικοί.
Η χρήση των κατάλληλων εργαλείων για την αξιολόγηση της ποιότητας ενός PCB είναι ένα από τα πιο σημαντικά ζητήματα στον τομέα. Οι ψηφιακοί οπτικοί συγκριτές ως πρότυπα και καλύμματα ξεπερνούν τις παραδοσιακές μεθόδους καθώς τεντώνονται και παραμορφώνονται με την πάροδο του χρόνου, μειώνοντας την αξιοπιστία τους. Θα πρέπει επίσης να λάβετε υπόψη εργαλεία που είναι εύκολα αυτοματοποιημένα για να ελαχιστοποιήσετε τον κίνδυνο ανθρώπινου σφάλματος.
Ανεξάρτητα από τις συγκεκριμένες μεθόδους και τεχνικές που χρησιμοποιείτε, η παρακολούθηση όλων των ελαττωμάτων είναι κρίσιμη. Με την πάροδο του χρόνου, αυτά τα δεδομένα μπορούν να αποκαλύψουν τάσεις στην εμφάνιση προβλημάτων, παρέχοντας πιο αξιόπιστες αλλαγές στο σχεδιασμό των PCB.

6. Σχεδιασμός κατασκευασιμότητας
Ένας παρόμοιος αλλά συχνά παραβλεπόμενος παράγοντας στο σχεδιασμό PCB υψηλού ρεύματος είναι η διασφάλιση της ευκολίας κατασκευής. Εάν τα σφάλματα παραγωγής είναι τόσο συχνά που η συσκευή σπάνια πληροί τις προδιαγραφές σε χαρτί, δεν έχει σημασία πόσο αξιόπιστη είναι η PCB θεωρητικά.
Η λύση είναι να αποφεύγετε όσο το δυνατόν περισσότερο τα υπερβολικά πολύπλοκα ή περίπλοκα σχέδια. Κατά το σχεδιασμό πλακετών τυπωμένων κυκλωμάτων (PCB) υψηλού ρεύματος, λάβετε υπόψη τη διαδικασία κατασκευής σας, λαμβάνοντας υπόψη πώς αυτές οι ροές εργασίας μπορεί να τις παράγουν και ποια προβλήματα μπορεί να προκύψουν. Όσο πιο εύκολα μπορείτε να κατασκευάσετε προϊόντα χωρίς σφάλματα, τόσο πιο αξιόπιστα θα είναι.
Αυτό το βήμα απαιτεί στενή συνεργασία με τους ενδιαφερόμενους φορείς παραγωγής. Εάν δεν χειρίζεστε την κατασκευή εσωτερικά, εμπλέξτε τους συνεργάτες παραγωγής σας στη φάση σχεδιασμού για να λάβετε τις απόψεις τους σχετικά με πιθανά ζητήματα κατασκευασιμότητας.

7. Χρησιμοποιήστε την τεχνολογία προς όφελός σας
Οι νέες τεχνικές σχεδιασμού και παραγωγής μπορούν να διευκολύνουν την εξισορρόπηση αυτών των παραμέτρων. Η τρισδιάστατη εκτύπωση εισάγει μεγαλύτερη ευελιξία σχεδιασμού για την υποστήριξη πιο σύνθετων διατάξεων PCB χωρίς σφάλματα παραγωγής. Η ακρίβειά της σάς επιτρέπει επίσης να διασφαλίσετε ότι η καλωδίωση χαλκού ακολουθεί μια καμπύλη και όχι μια ορθή γωνία, μειώνοντας το μήκος της και ελαχιστοποιώντας την κατανάλωση ενέργειας.
Η τεχνητή νοημοσύνη είναι μια άλλη τεχνολογία που αξίζει να διερευνηθεί. Τα εργαλεία τεχνητής νοημοσύνης για πλακέτες τυπωμένων κυκλωμάτων (PCB) μπορούν να τοποθετήσουν αυτόματα εξαρτήματα ή να επισημάνουν πιθανά προβλήματα σχεδιασμού για να αποτρέψουν την εμφάνιση σφαλμάτων στον πραγματικό κόσμο. Παρόμοιες λύσεις μπορούν να προσομοιώσουν διαφορετικά περιβάλλοντα δοκιμών για να αξιολογήσουν την απόδοση των PCB πριν από την παραγωγή φυσικών πρωτοτύπων.

Ο σχεδιασμός PCB υψηλού ρεύματος απαιτεί προσοχή.
Ο σχεδιασμός μιας αξιόπιστης πλακέτας τυπωμένου κυκλώματος υψηλού ρεύματος δεν είναι εύκολος, αλλά δεν είναι και αδύνατος. Ακολουθώντας αυτά τα επτά βήματα θα σας βοηθήσει να βελτιστοποιήσετε τη διαδικασία σχεδιασμού σας για να δημιουργήσετε πιο αποδοτικές συσκευές υψηλής ισχύος.
Καθώς το Βιομηχανικό Διαδίκτυο των Πραγμάτων αναπτύσσεται, αυτές οι παράμετροι θα αποκτήσουν ακόμη μεγαλύτερη σημασία. Η υιοθέτησή τους τώρα θα είναι το κλειδί για τη συνεχή επιτυχία στο μέλλον.