La conception de circuits imprimés est toujours un défi, surtout avec la miniaturisation croissante des composants. La conception de circuits imprimés pour courants élevés est encore plus complexe, car elle présente les mêmes obstacles et nécessite la prise en compte de facteurs spécifiques supplémentaires.
Les experts prévoient que la demande en dispositifs haute puissance devrait atteindre des taux de croissance annuels à deux chiffres pour l'Internet des objets industriel d'ici 2030. Voici sept étapes pour optimiser la conception des circuits imprimés dans l'électronique à courant élevé pour répondre à cette tendance.
1. Assurez-vous que la section du câble est suffisante.
Le dimensionnement des pistes est un critère de conception essentiel pour les circuits imprimés fonctionnant à courant élevé. Si la miniaturisation du câblage en cuivre est courante pour les conceptions plus compactes, cette solution n'est pas adaptée aux courants élevés. Une section trop petite peut engendrer des pertes de puissance par dissipation thermique ; il est donc nécessaire d'utiliser des pistes de section suffisamment importante.
Il est possible de modifier la section du fil en ajustant deux facteurs : son diamètre et l’épaisseur du cuivre. Trouver le juste équilibre entre ces deux paramètres est essentiel pour réduire la consommation d’énergie et conserver des dimensions optimales pour le circuit imprimé.
Utilisez le calculateur de largeur de pistes pour circuits imprimés afin de déterminer les largeurs et épaisseurs compatibles avec le courant requis par votre appareil. Lors de l'utilisation de ces outils, veillez à dimensionner les pistes en fonction de l'intensité du courant supportée.
2. Repenser l'emplacement des composants
L'agencement des composants est un autre élément clé dans la conception de circuits imprimés à courant élevé. Les MOSFET et les composants similaires génèrent beaucoup de chaleur ; il est donc important de les isoler autant que possible des autres points chauds ou sensibles à la température. Ceci n'est pas toujours facile avec des formats réduits.
Les amplificateurs et les convertisseurs doivent être maintenus à une distance appropriée des MOSFET et autres éléments chauffants. Bien qu'il puisse être tentant de concentrer la puissance en périphérie, cela ne permet pas une répartition uniforme de la température. Il est donc préférable de les disposer en lignes droites sur la carte afin de concentrer l'énergie et d'obtenir une dissipation thermique plus homogène.
En s'attaquant d'abord aux zones les plus critiques, il est plus facile de déterminer les composants idéaux. Commencez par identifier l'emplacement idéal des composants haute température. Une fois leur emplacement déterminé, vous pourrez utiliser les autres composants pour compléter l'installation.
3. Optimiser la gestion de la dissipation de chaleur
De même, les circuits imprimés à courant élevé nécessitent une gestion thermique rigoureuse. Pour la plupart des applications, cela implique de maintenir la température interne en dessous de 130 °C, température de transition vitreuse des stratifiés FR4. L'optimisation du placement des composants est utile, mais les mesures de réduction de la chaleur ne doivent pas s'arrêter là.
Le refroidissement par convection naturelle peut suffire pour les circuits imprimés de petite taille destinés à l'électronique grand public, mais s'avérer insuffisant pour les applications à forte puissance. Des radiateurs mécaniques peuvent alors être nécessaires. Un refroidissement actif, tel que des ventilateurs ou des systèmes de refroidissement liquide autour des MOSFET, est également utile. Cependant, la taille de certains dispositifs peut être insuffisante pour accueillir des radiateurs traditionnels ou un système de refroidissement actif.
Pour les circuits imprimés de petite taille mais à hautes performances, la dissipation thermique par perforations constitue une solution efficace. Un métal hautement conducteur, percé de nombreux trous, permet d'évacuer la chaleur des MOSFET ou de composants similaires avant qu'elle n'atteigne les zones plus sensibles.
4. Utilisez les matériaux appropriés
Le choix des matériaux est crucial pour optimiser la gestion thermique et garantir la résistance des composants aux courants élevés. Ceci s'applique aux composants et aux substrats des circuits imprimés.
Bien que le FR4 soit le substrat le plus courant, il n'est pas toujours le meilleur choix pour les circuits imprimés à courant élevé. Les circuits imprimés à âme métallique peuvent être idéaux car ils offrent un bon compromis entre l'isolation et le rapport coût-efficacité des substrats comme le FR4 et la robustesse et la conductivité thermique des métaux hautement conducteurs. Par ailleurs, certains fabricants proposent des stratifiés spéciaux résistants à la chaleur que vous pourriez envisager.
Là encore, il est conseillé d'utiliser uniquement des composants à haute résistance thermique. Cela implique parfois de choisir des matériaux plus résistants à la chaleur, et dans d'autres cas, d'opter pour des composants plus épais du même matériau. Le choix le plus judicieux dépend de la taille de votre circuit imprimé, de votre budget et des fournisseurs disponibles.
5. Améliorer le processus de contrôle de la qualité
La fiabilité des circuits imprimés haute intensité dépend aussi de la détection des erreurs de production. Si le processus de fabrication ne permet pas de repérer et de corriger les défauts qui annulent ses avantages, les quatre choix de conception mentionnés précédemment n'apporteront que peu d'améliorations. Des contrôles qualité plus rigoureux pour les prototypes sont également essentiels.
L'utilisation d'outils adaptés pour évaluer la qualité d'un circuit imprimé est primordiale. Les comparateurs optiques numériques, utilisés comme gabarits et revêtements, surpassent les méthodes traditionnelles qui se déforment avec le temps, ce qui nuit à leur fiabilité. Il est également conseillé d'opter pour des outils facilement automatisables afin de minimiser les risques d'erreur humaine.
Quelles que soient les méthodes et techniques utilisées, le suivi de tous les défauts est essentiel. Au fil du temps, ces données peuvent révéler des tendances dans l'apparition des problèmes, permettant ainsi des modifications plus fiables de la conception des circuits imprimés.
6. Conception de la fabricabilité
Un facteur similaire, mais souvent négligé, dans la conception des circuits imprimés à courant élevé est la facilité de fabrication. Si les erreurs de production sont si fréquentes que le dispositif répond rarement aux spécifications théoriques, la fiabilité du circuit imprimé, aussi théorique soit-elle, importe peu.
La solution consiste à éviter autant que possible les conceptions trop complexes. Lors de la conception de circuits imprimés haute intensité, tenez compte de votre processus de fabrication, en anticipant les problèmes potentiels liés à leur mise en œuvre. Plus la fabrication de produits sans défaut est simple, plus ils seront fiables.
Cette étape exige une étroite collaboration avec les acteurs de la production. Si vous ne gérez pas la fabrication en interne, impliquez vos partenaires de production dès la phase de conception afin de recueillir leurs avis sur les éventuels problèmes de fabricabilité.
7. Tirez parti de la technologie
De nouvelles techniques de planification et de production facilitent la prise en compte de ces facteurs. L'impression 3D offre une plus grande flexibilité de conception, permettant de réaliser des circuits imprimés plus complexes sans erreurs de production. Sa précision permet également de s'assurer que le câblage en cuivre suit une courbe plutôt qu'un angle droit, réduisant ainsi sa longueur et minimisant la consommation d'énergie.
L'intelligence artificielle est une autre technologie qui mérite d'être étudiée. Les outils de conception de circuits imprimés basés sur l'IA peuvent placer automatiquement les composants ou mettre en évidence les problèmes de conception potentiels afin d'éviter les erreurs lors de la production. Des solutions similaires peuvent simuler différents environnements de test pour évaluer les performances des circuits imprimés avant la fabrication de prototypes physiques.
La conception de circuits imprimés à courant élevé requiert de la prudence
Concevoir un circuit imprimé haute puissance fiable n'est pas chose aisée, mais c'est possible. Suivre ces sept étapes vous aidera à optimiser votre processus de conception afin de créer des dispositifs haute puissance plus efficaces.
Avec l'essor de l'Internet industriel des objets, ces considérations deviendront encore plus importantes. Les intégrer dès maintenant sera la clé d'un succès durable.