طراحی هر PCB چالش برانگیز است، به خصوص با کوچک و کوچک‌تر شدن دستگاه‌ها. طراحی PCB جریان بالا حتی پیچیده‌تر است زیرا همه موانع مشابه را دارد و نیاز به مجموعه‌ای از عوامل منحصر به فرد اضافی برای در نظر گرفتن دارد.
کارشناسان پیش‌بینی می‌کنند که تقاضا برای دستگاه‌های پرمصرف احتمالاً تا سال ۲۰۳۰ افزایش یافته و به نرخ رشد سالانه دو رقمی برای اینترنت اشیا صنعتی دست یابد. در اینجا هفت مرحله برای بهینه‌سازی طراحی PCB در الکترونیک جریان بالا برای این روند ارائه شده است.
۱. از اندازه کافی کابل اطمینان حاصل کنید
اندازه خط یکی از مهمترین ملاحظات طراحی برای PCB های جریان بالا است. سیم کشی مسی برای طراحی های جمع و جورتر تمایل به کوچک سازی داشته است، اما این روش در جریان های بالاتر کار نمی کند. سطح مقطع کوچک می تواند منجر به اتلاف توان از طریق اتلاف گرما شود، بنابراین به اندازه مسیر مناسب و بزرگی نیاز است.
شما می‌توانید سطح مقطع سیم را با تنظیم دو عامل تغییر دهید: عرض سیم و ضخامت مس. ایجاد تعادل بین این دو، کلید کاهش مصرف برق و حفظ اندازه ایده‌آل PCB است.
از ابزار محاسبه پهنای خط PCB استفاده کنید تا بفهمید کدام عرض‌ها و ضخامت‌ها از نوع جریان مورد نیاز دستگاه شما پشتیبانی می‌کنند. هنگام استفاده از این ابزارها، مراقب باشید که اندازه سیم‌کشی را طوری طراحی کنید که از جریان‌های بالاتر از آنچه فکر می‌کنید نیاز دارید، پشتیبانی کند.
۲. در مورد جایگذاری قطعات تجدید نظر کنید
چیدمان قطعات یکی دیگر از ملاحظات کلیدی در طراحی PCB با جریان بالا است. MOSFETها و قطعات مشابه گرمای زیادی تولید می‌کنند، بنابراین مهم است که آنها را تا حد امکان از سایر نقاط گرم یا حساس به دما جدا نگه دارید. این کار هنگام کار با قطعات با ابعاد کوچک همیشه آسان نیست.
تقویت‌کننده‌ها و مبدل‌ها باید در فاصله مناسبی از ماسفت‌ها و سایر عناصر گرمایشی نگه داشته شوند. اگرچه ممکن است وسوسه‌انگیز باشد که یک ناحیه با توان بالا در لبه حفظ شود، اما این امر توزیع یکنواخت دما را امکان‌پذیر نمی‌کند. در عوض، آنها در خطوط مستقیم در سراسر برد قرار می‌گیرند تا انرژی را حفظ کنند، که این امر باعث می‌شود گرما یکنواخت‌تر شود.
با نزدیک شدن به تأثیرگذارترین مناطق در ابتدا، تعیین اجزای ایده‌آل آسان‌تر می‌شود. ابتدا، مکان ایده‌آل برای اجزای دما بالا را تعیین کنید. هنگامی که دانستید آنها را کجا قرار دهید، می‌توانید از بقیه برای پر کردن جاهای خالی استفاده کنید.
۳. مدیریت اتلاف گرما را بهینه کنید
به طور مشابه، بردهای مدار چاپی جریان بالا نیز نیاز به مدیریت حرارتی دقیقی دارند. برای اکثر کاربردها، این به معنای نگه داشتن دمای داخلی زیر ۱۳۰ درجه سانتیگراد برای دمای انتقال شیشه‌ای لمینت‌های FR4 است. بهینه‌سازی قرارگیری قطعات کمک خواهد کرد، اما مراحل به حداقل رساندن گرما باید در همین جا متوقف شود.
خنک‌سازی همرفت طبیعی ممکن است برای PCBهای لوازم الکترونیکی مصرفی کوچک‌تر کافی باشد، اما ممکن است برای کاربردهای توان بالاتر کافی نباشد. ممکن است رادیاتورهای مکانیکی لازم باشند. خنک‌سازی فعال مانند فن‌ها یا سیستم‌های خنک‌کننده مایع در اطراف MOSFETها نیز مفید است. با این حال، برخی از طراحی‌های دستگاه ممکن است به اندازه کافی بزرگ نباشند تا رادیاتورهای سنتی یا خنک‌سازی فعال را در خود جای دهند.
برای بردهای مدار چاپی کوچک‌تر اما با کارایی بالا، اتلاف گرما از طریق سوراخ‌ها یک جایگزین مفید است. یک فلز بسیار رسانا با مجموعه‌ای از سوراخ‌ها، گرما را از MOSFETها یا اجزای مشابه قبل از رسیدن به مناطق حساس‌تر حذف می‌کند.
۴. از مواد مناسب استفاده کنید
انتخاب مواد هنگام بهینه‌سازی مدیریت حرارتی و اطمینان از اینکه اجزا می‌توانند جریان‌های بالاتر را تحمل کنند، بسیار مفید خواهد بود. این امر در مورد اجزا و زیرلایه‌های PCB صدق می‌کند.
اگرچه FR4 رایج‌ترین زیرلایه است، اما همیشه بهترین انتخاب برای طراحی‌های PCB با جریان بالا نیست. PCBهای هسته فلزی ممکن است ایده‌آل باشند زیرا عایق بودن و مقرون به صرفه بودن زیرلایه‌هایی مانند FR4 را با استحکام و جابجایی دمایی فلزات بسیار رسانا متعادل می‌کنند. از طرف دیگر، برخی از تولیدکنندگان لمینت‌های مقاوم در برابر حرارت خاصی تولید می‌کنند که می‌توانید آنها را در نظر بگیرید.
باز هم، شما فقط باید از اجزایی با مقادیر مقاومت حرارتی بالا استفاده کنید. گاهی اوقات، این به معنای انتخاب موادی است که در برابر حرارت مقاوم‌تر هستند، در حالی که در موارد دیگر به معنای استفاده از اجزای ضخیم‌تر از همان ماده است. اینکه کدام گزینه بهتر است به اندازه PCB، بودجه و تأمین‌کنندگان موجود شما بستگی دارد.
۵. بهبود فرآیند کنترل کیفیت
قابلیت اطمینان PCB های جریان بالا همچنین به یافتن خطاها در تولید بستگی دارد. اگر فرآیند تولید نتواند نقص‌هایی را که مزایای آن را خنثی می‌کنند، پیدا و برطرف کند، چهار گزینه طراحی فوق بهبود زیادی به همراه نخواهند داشت. بررسی‌های کیفی قابل اعتمادتر برای تکرار نمونه اولیه نیز مهم هستند.
استفاده از ابزارهای مناسب برای ارزیابی کیفیت PCB یکی از مهمترین ملاحظات در این زمینه است. مقایسه‌گرهای نوری دیجیتال به عنوان الگو و پوشش، از روش‌های سنتی بهتر عمل می‌کنند، زیرا با گذشت زمان کشیده و تحریف می‌شوند و این امر مانع از قابلیت اطمینان آنها می‌شود. همچنین باید ابزارهایی را در نظر بگیرید که به راحتی خودکار می‌شوند تا خطر خطای انسانی به حداقل برسد.
صرف نظر از روش‌ها و تکنیک‌های خاصی که استفاده می‌کنید، ردیابی تمام نقص‌ها بسیار مهم است. با گذشت زمان، این داده‌ها می‌توانند روند ظهور مشکلات را آشکار کنند و تغییرات طراحی PCB قابل اعتمادتری را ارائه دهند.
۶. طراحی قابلیت تولید
یک عامل مشابه اما اغلب نادیده گرفته شده در طراحی PCB جریان بالا، تضمین سهولت تولید است. اگر خطاهای تولید آنقدر رایج باشند که دستگاه به ندرت مشخصات روی کاغذ را برآورده کند، مهم نیست که PCB از نظر تئوری چقدر قابل اعتماد باشد.
راه حل این است که تا حد امکان از طرح‌های بیش از حد پیچیده یا بغرنج اجتناب کنید. هنگام طراحی PCB های جریان بالا، فرآیند تولید خود را در نظر داشته باشید و در نظر بگیرید که چگونه این گردش‌های کاری ممکن است آنها را تولید کنند و چه مشکلاتی ممکن است ایجاد شود. هرچه راحت‌تر بتوانید محصولات بدون خطا بسازید، قابل اعتمادتر خواهند بود.
این مرحله نیازمند همکاری نزدیک با ذینفعان تولید است. اگر تولید را به صورت داخلی انجام نمی‌دهید، شرکای تولید خود را در مرحله طراحی درگیر کنید تا نظرات آنها را در مورد مسائل احتمالی مربوط به قابلیت تولید جویا شوید.
۷. از فناوری به نفع خود استفاده کنید
تکنیک‌های جدید برنامه‌ریزی و تولید می‌توانند ایجاد تعادل بین این ملاحظات را آسان‌تر کنند. چاپ سه‌بعدی انعطاف‌پذیری طراحی بیشتری را برای پشتیبانی از طرح‌بندی‌های پیچیده‌تر PCB بدون خطای تولید ارائه می‌دهد. دقت آن همچنین به شما این امکان را می‌دهد که اطمینان حاصل کنید که سیم‌کشی مسی به جای زاویه قائمه، از یک منحنی پیروی می‌کند تا طول آن کاهش یابد و مصرف برق به حداقل برسد.
هوش مصنوعی یکی دیگر از فناوری‌هایی است که ارزش بررسی دارد. ابزارهای هوش مصنوعی PCB می‌توانند به طور خودکار قطعات را قرار دهند یا مشکلات طراحی بالقوه را برجسته کنند تا از بروز خطاها در دنیای واقعی جلوگیری شود. راهکارهای مشابه می‌توانند محیط‌های آزمایشی مختلف را شبیه‌سازی کنند تا عملکرد PCBS را قبل از تولید نمونه‌های اولیه فیزیکی ارزیابی کنند.
طراحی PCB با جریان بالا نیاز به احتیاط دارد
طراحی یک برد مدار چاپی جریان بالای قابل اعتماد آسان نیست، اما غیرممکن هم نیست. پیروی از این هفت مرحله به شما کمک می‌کند تا فرآیند طراحی خود را برای ایجاد دستگاه‌های پرقدرت کارآمدتر بهینه کنید.
با رشد اینترنت اشیا صنعتی، این ملاحظات اهمیت بیشتری پیدا می‌کنند. پذیرش آنها در حال حاضر، کلید موفقیت مداوم در آینده خواهد بود.