Progettare qualsiasi PCB è impegnativo, soprattutto perché i dispositivi diventano sempre più piccoli. La progettazione di PCB ad alta corrente è ancora più complessa perché presenta tutti gli stessi ostacoli e richiede una serie aggiuntiva di fattori specifici da considerare.
Gli esperti prevedono che la domanda di dispositivi ad alta potenza aumenterà probabilmente fino a raggiungere tassi di crescita annui a due cifre per l'IoT industriale entro il 2030. Ecco sette passaggi per ottimizzare la progettazione di PCB nell'elettronica ad alta corrente per questa tendenza.
1. Assicurarsi che il cavo abbia dimensioni sufficienti
La dimensione delle linee è uno degli aspetti più importanti da considerare nella progettazione di PCB ad alta corrente. I cavi in rame tendono a essere miniaturizzati per progetti più compatti, ma questo non funziona a correnti più elevate. Una sezione trasversale ridotta può causare perdite di potenza dovute alla dissipazione del calore, quindi è necessaria una dimensione delle piste sufficientemente grande.
È possibile modificare la sezione trasversale del filo regolando due fattori: la larghezza del filo e lo spessore del rame. Bilanciare questi due fattori è la chiave per ridurre il consumo energetico e mantenere le dimensioni ideali del PCB.
Utilizza il calcolatore di larghezza delle linee PCB per scoprire quali larghezze e spessori supportano il tipo di corrente richiesto dal tuo dispositivo. Quando utilizzi questi strumenti, assicurati di progettare le dimensioni del cablaggio in modo che supportino correnti più elevate di quelle che ritieni necessarie.
2. Ripensare il posizionamento dei componenti
Il layout dei componenti è un altro aspetto fondamentale nella progettazione di PCB ad alta corrente. MOSFET e componenti simili generano molto calore, quindi è importante mantenerli il più possibile isolati da altri punti caldi o sensibili alla temperatura. Questo non è sempre facile quando si ha a che fare con fattori di forma ridotti.
Amplificatori e convertitori devono essere mantenuti a una distanza adeguata dai MOSFET e dagli altri elementi riscaldanti. Sebbene possa essere allettante mantenere una zona ad alta potenza ai bordi, ciò non consente una distribuzione uniforme della temperatura. Al contrario, vengono posizionati in linee rette lungo la scheda per trattenere l'energia, il che rende il calore più uniforme.
Affrontando prima le aree più influenti, è più facile individuare i componenti ideali. Per prima cosa, stabilisci la posizione ideale per i componenti ad alta temperatura. Una volta che sai dove posizionarli, puoi usare il resto per riempire gli spazi vuoti.
3. Ottimizzare la gestione della dissipazione del calore
Allo stesso modo, anche i PCB ad alta corrente richiedono un'attenta gestione termica. Per la maggior parte delle applicazioni, ciò significa mantenere la temperatura interna al di sotto dei 130 °C, la temperatura di transizione vetrosa dei laminati FR4. Ottimizzare il posizionamento dei componenti può essere d'aiuto, ma le misure di minimizzazione del calore devono fermarsi qui.
Il raffreddamento a convezione naturale può essere sufficiente per PCB di elettronica di consumo più piccoli, ma potrebbe non essere sufficiente per applicazioni ad alta potenza. Potrebbero essere necessari radiatori meccanici. Anche il raffreddamento attivo, come ventole o sistemi di raffreddamento a liquido attorno ai MOSFET, può essere utile. Tuttavia, alcuni dispositivi potrebbero non essere sufficientemente grandi da ospitare radiatori tradizionali o sistemi di raffreddamento attivo.
Per PCB più piccoli ma ad alte prestazioni, la dissipazione del calore attraverso i fori rappresenta un'alternativa utile. Un metallo altamente conduttivo con una serie di fori colati rimuoverà il calore dai MOSFET o componenti simili prima che raggiunga le aree più sensibili.
4. Utilizzare i materiali giusti
La selezione dei materiali sarà di grande beneficio per ottimizzare la gestione termica e garantire che i componenti possano sopportare correnti più elevate. Questo vale per i componenti e i substrati dei PCB.
Sebbene l'FR4 sia il substrato più comune, non è sempre la scelta migliore per i progetti di PCB ad alta corrente. I PCB con nucleo metallico possono essere ideali perché bilanciano l'isolamento e l'economicità di substrati come l'FR4 con la resistenza e la capacità di spostamento termico dei metalli altamente conduttivi. In alternativa, alcuni produttori realizzano laminati speciali resistenti al calore che potreste prendere in considerazione.
Anche in questo caso, è consigliabile utilizzare solo componenti con elevati valori di resistenza termica. A volte, questo significa scegliere materiali più resistenti al calore, mentre in altri casi significa utilizzare componenti più spessi dello stesso materiale. La scelta migliore dipende dalle dimensioni del PCB, dal budget e dai fornitori disponibili.
5. Migliorare il processo di controllo qualità
L'affidabilità dei PCB ad alta corrente dipende anche dall'individuazione di errori in fase di produzione. Se il processo di produzione non riesce a individuare e correggere difetti che ne vanifichino i vantaggi, le quattro scelte progettuali sopra descritte non apporteranno grandi miglioramenti. Sono inoltre importanti controlli di qualità più affidabili per le iterazioni dei prototipi.
Utilizzare gli strumenti giusti per valutare la qualità di un PCB è una delle considerazioni più importanti in questo campo. I comparatori ottici digitali, utilizzati come modelli e rivestimenti, superano i metodi tradizionali in quanto si deformano e si allungano nel tempo, compromettendone l'affidabilità. È inoltre opportuno considerare strumenti facili da automatizzare per ridurre al minimo il rischio di errore umano.
Indipendentemente dai metodi e dalle tecniche specifiche utilizzati, tracciare tutti i difetti è fondamentale. Nel tempo, questi dati possono rivelare tendenze nell'insorgenza di problemi, consentendo modifiche più affidabili alla progettazione dei PCB.
6.Progettazione di producibilità
Un fattore simile, ma spesso trascurato, nella progettazione di PCB ad alta corrente è la facilità di fabbricazione. Se gli errori di produzione sono così comuni che il dispositivo raramente soddisfa le specifiche sulla carta, non importa quanto sia affidabile il PCB in teoria.
La soluzione è evitare il più possibile progetti eccessivamente complessi o intricati. Quando si progettano PCB ad alta corrente, è importante tenere presente il processo di produzione, considerando come questi flussi di lavoro potrebbero produrli e quali problemi potrebbero sorgere. Più è facile realizzare prodotti privi di errori, più affidabili saranno.
Questa fase richiede una stretta collaborazione con gli stakeholder della produzione. Se non gestisci la produzione internamente, coinvolgi i tuoi partner di produzione nella fase di progettazione per ottenere il loro contributo su potenziali problemi di producibilità.
7. Usa la tecnologia a tuo vantaggio
Nuove tecniche di pianificazione e produzione possono semplificare il bilanciamento di queste considerazioni. La stampa 3D introduce una maggiore flessibilità di progettazione per supportare layout PCB più complessi senza errori di produzione. La sua precisione consente inoltre di garantire che il cablaggio in rame segua una curva anziché un angolo retto, riducendone la lunghezza e minimizzando il consumo energetico.
L'intelligenza artificiale è un'altra tecnologia che vale la pena approfondire. Gli strumenti di intelligenza artificiale per PCB possono posizionare automaticamente i componenti o evidenziare potenziali problemi di progettazione per prevenire errori nel mondo reale. Soluzioni simili possono simulare diversi ambienti di test per valutare le prestazioni dei PCB prima di produrre prototipi fisici.
La progettazione di PCB ad alta corrente richiede cautela
Progettare un PCB affidabile ad alta corrente non è facile, ma non è impossibile. Seguire questi sette passaggi ti aiuterà a ottimizzare il processo di progettazione per creare dispositivi ad alta potenza più efficienti.
Con la crescita dell'Internet of Things industriale, queste considerazioni diventeranno ancora più importanti. Accoglierle ora sarà la chiave per un successo duraturo in futuro.