Minkä tahansa piirilevyn suunnittelu on haastavaa, varsinkin kun laitteet pienenevät jatkuvasti. Suurvirtapiirilevyjen suunnittelu on vieläkin monimutkaisempaa, koska siinä on kaikki samat esteet ja se vaatii useita muita ainutlaatuisia tekijöitä, jotka on otettava huomioon.
Asiantuntijat ennustavat, että suuritehoisten laitteiden kysyntä todennäköisesti kasvaa ja saavuttaa kaksinumeroisen vuosittaisen kasvuvauhdin teollisessa esineiden internetissä vuoteen 2030 mennessä. Tässä on seitsemän vaihetta piirilevyjen suunnittelun optimoimiseksi suurvirtaelektroniikassa tätä trendiä varten.

1. Varmista riittävä kaapelikoko
Johdinkoko on yksi tärkeimmistä suunnittelutekijöistä suurvirtapiirilevyjen suunnittelussa. Kuparijohtimia on yleensä pyritty pienentämään kompaktimpia malleja varten, mutta tämä ei toimi suuremmilla virroilla. Pieni poikkileikkaus voi johtaa tehohäviöön lämmön haihtumisen vuoksi, joten tarvitaan sopivan suuri kiskokoko.
Voit muuttaa johtimen poikkileikkauspinta-alaa säätämällä kahta tekijää: johtimen leveyttä ja kuparin paksuutta. Näiden kahden tasapainottaminen on avain virrankulutuksen vähentämiseen ja ihanteellisen piirilevyn koon ylläpitämiseen.
Käytä piirilevyn linjaleveyslaskuria selvittääksesi, mitkä leveydet ja paksuudet tukevat laitteesi vaatimaa virtaa. Kun käytät näitä työkaluja, ole varovainen ja suunnittele johdotuksen koko tukemaan suurempia virtoja kuin luulet tarvitsevasi.

2. Mieti komponenttien sijoittelua uudelleen
Komponenttien asettelu on toinen keskeinen näkökohta suurvirtapiirilevyjen suunnittelussa. MOSFETit ja vastaavat komponentit tuottavat paljon lämpöä, joten on tärkeää pitää ne mahdollisimman erillään muista kuumista tai lämpötilaherkistä kohdista. Tämä ei ole aina helppoa, kun kyseessä on pienemmät kokokertoimet.
Vahvistimet ja muuntimet tulisi pitää sopivalla etäisyydellä MOSFET-transistoreista ja muista lämmityselementeistä. Vaikka saattaa olla houkuttelevaa pitää yllä suurta tehoa reunalla, se ei mahdollista tasaista lämpötilan jakautumista. Sen sijaan ne sijoitetaan suoriin linjoihin levyn poikki energian säilyttämiseksi, mikä tekee lämmöstä tasaisempaa.
Lähestymällä ensin vaikutusvaltaisimpia alueita on helpompi määrittää ihanteelliset komponentit. Ensin määritä ihanteellinen sijainti korkean lämpötilan komponenteille. Kun tiedät, mihin ne sijoitetaan, voit käyttää muita osia aukkojen täyttämiseen.

3. Optimoi lämmönhukkahallinnan
Samoin suurvirtapiirilevyt vaativat huolellista lämmönhallintaa. Useimmissa sovelluksissa tämä tarkoittaa FR4-laminaattien lasittumislämpötilan (siirtymälämpötila) pitämistä alle 130 celsiusasteessa. Komponenttien sijoittelun optimointi auttaa, mutta lämmön minimointitoimenpiteiden on loputtava siihen.
Luonnollinen konvektiojäähdytys voi riittää pienemmille kulutuselektroniikan piirilevyille, mutta ei välttämättä riitä suuritehoisemmille sovelluksille. Mekaaniset patterit voivat olla tarpeen. Aktiivinen jäähdytys, kuten tuulettimet tai nestejäähdytysjärjestelmät MOSFETien ympärillä, auttaa myös. Jotkin laitemallit eivät kuitenkaan välttämättä ole riittävän suuria perinteisille pattereille tai aktiiviselle jäähdytykselle.
Pienemmille mutta tehokkaille piirilevyille lämmönpoisto reikien kautta on hyödyllinen vaihtoehto. Erittäin johtava metalli, johon on valettu useita reikiä, poistaa lämmön MOSFETeistä tai vastaavista komponenteista ennen kuin se saavuttaa herkemmät alueet.

4. Käytä oikeita materiaaleja
Materiaalivalinnat ovat erittäin hyödyllisiä lämmönhallinnan optimoinnissa ja komponenttien suurempien virtojen kestävyyden varmistamisessa. Tämä koskee piirilevykomponentteja ja -alustoja.
Vaikka FR4 on yleisin alustamateriaali, se ei ole aina paras valinta suurvirtapiirilevysuunnitteluun. Metalliytimiset piirilevyt voivat olla ihanteellisia, koska ne tasapainottavat FR4:n kaltaisten alustojen eristyksen ja kustannustehokkuuden erittäin johtavien metallien lujuuden ja lämpötilan vaihtelun kanssa. Vaihtoehtoisesti jotkut valmistajat valmistavat erityisiä lämmönkestäviä laminaatteja, joita voit harkita.
Jälleen kerran, sinun tulisi käyttää vain komponentteja, joilla on korkea lämmönkestävyys. Joskus tämä tarkoittaa lämmönkestävämpien materiaalien valitsemista, kun taas toisissa tapauksissa se tarkoittaa paksumpien komponenttien käyttöä samasta materiaalista. Paras vaihtoehto riippuu piirilevyn koosta, budjetista ja saatavilla olevista toimittajista.

5. Paranna laadunvalvontaprosessia
Suurvirtapiirilevyjen luotettavuus riippuu myös tuotantovirheiden löytämisestä. Jos valmistusprosessissa ei löydetä ja korjata vikoja, jotka kumoavat sen edut, edellä mainitut neljä suunnitteluvaihtoehtoa eivät tuota paljon parannusta. Myös prototyyppi-iteraatioiden luotettavammat laatutarkastukset ovat tärkeitä.
Oikeiden työkalujen käyttö piirilevyn laadun arvioinnissa on yksi alan tärkeimmistä näkökohdista. Digitaaliset optiset komparaattorit mallipohjina ja peitteinä toimivat perinteisiä menetelmiä paremmin, koska ne venyvät ja vääristyvät ajan myötä, mikä heikentää niiden luotettavuutta. Sinun tulisi myös harkita työkaluja, jotka on helppo automatisoida inhimillisten virheiden riskin minimoimiseksi.
Käytetyistä menetelmistä ja tekniikoista riippumatta kaikkien vikojen seuranta on kriittistä. Ajan myötä nämä tiedot voivat paljastaa ongelmien ilmaantumisen trendejä, mikä mahdollistaa luotettavampia piirilevysuunnittelun muutoksia.

6. Valmistettavuussuunnittelu
Samankaltainen, mutta usein unohdettu tekijä suurvirtapiirilevyjen suunnittelussa on valmistuksen helppous. Jos tuotantovirheet ovat niin yleisiä, että laite harvoin täyttää paperilla olevat vaatimukset, sillä ei ole väliä, kuinka luotettava piirilevy teoriassa on.
Ratkaisu on välttää liian monimutkaisia ​​tai monimutkaisia ​​malleja niin paljon kuin mahdollista. Suurvirtapiirilevyjä suunnitellessasi pidä mielessäsi valmistusprosessi ja ota huomioon, miten nämä työnkulut saattavat tuottaa niitä ja mitä ongelmia voi ilmetä. Mitä helpommin voit valmistaa virheettömiä tuotteita, sitä luotettavampia ne ovat.
Tämä vaihe vaatii tiivistä yhteistyötä tuotannon sidosryhmien kanssa. Jos et hoida valmistusta itse, ota tuotantokumppanisi mukaan suunnitteluvaiheeseen saadaksesi heidän näkemyksensä mahdollisista valmistettavuuteen liittyvistä ongelmista.

7. Hyödynnä teknologiaa eduksesi
Uudet suunnittelu- ja tuotantotekniikat voivat helpottaa näiden näkökohtien tasapainottamista. 3D-tulostus tuo lisää suunnittelun joustavuutta, mikä tukee monimutkaisempia piirilevyasetteluja ilman tuotantovirheitä. Sen tarkkuus mahdollistaa myös sen, että kuparijohdotus seuraa käyrää suoran kulman sijaan, mikä lyhentää sen pituutta ja minimoi virrankulutuksen.
Tekoäly on toinen tutkimisen arvoinen teknologia. Tekoälyyn perustuvat piirilevytyökalut voivat automaattisesti sijoittaa komponentit tai korostaa mahdollisia suunnitteluongelmia estääkseen virheiden syntymisen todellisessa maailmassa. Samankaltaiset ratkaisut voivat simuloida erilaisia ​​testiympäristöjä piirilevyjen suorituskyvyn arvioimiseksi ennen fyysisten prototyyppien tuottamista.

Suurvirtapiirilevyjen suunnittelu vaatii varovaisuutta
Luotettavan suurvirtapiirilevyn suunnittelu ei ole helppoa, mutta se ei ole mahdotonta. Näiden seitsemän vaiheen noudattaminen auttaa sinua optimoimaan suunnitteluprosessiasi luodaksesi tehokkaampia suuritehoisia laitteita.
Teollisen esineiden internetin kasvaessa näistä näkökohdista tulee entistä tärkeämpiä. Niiden omaksuminen nyt on avain jatkuvaan menestykseen tulevaisuudessa.