Det er utfordrende å designe et hvilket som helst kretskort, spesielt ettersom enhetene blir mindre og mindre. Høystrøms-kretskortdesign er enda mer komplekst fordi det har alle de samme hindringene og krever et ekstra sett med unike faktorer å vurdere.
Eksperter spår at etterspørselen etter høyeffektsenheter sannsynligvis vil øke for å oppnå tosifrede årlige vekstrater for den industrielle tingenes internett innen 2030. Her er syv trinn for å optimalisere PCB-design i høystrømselektronikk for denne trenden.

1. Sørg for tilstrekkelig kabelstørrelse
Linjestørrelse er en av de viktigste designhensynene for høystrøms-kretskort. Kobberledninger har en tendens til å bli miniatyrisert for mer kompakte design, men dette fungerer ikke ved høyere strømstyrker. Et lite tverrsnitt kan føre til effekttap gjennom varmespredning, så en passende stor sporstørrelse er nødvendig.
Du kan endre tverrsnittsarealet til ledningen ved å justere to faktorer: bredden på ledningen og tykkelsen på kobberet. Å balansere disse to er nøkkelen til å redusere strømforbruket og opprettholde den ideelle PCB-størrelsen.
Bruk PCB-linjebreddekalkulatoren for å finne ut hvilke bredder og tykkelser som støtter den typen strøm som kreves for enheten din. Når du bruker disse verktøyene, må du være forsiktig med å designe ledningsstørrelsen for å støtte høyere strøm enn du tror du trenger.

2. Tenk nytt om plassering av komponenter
Komponentoppsett er en annen viktig faktor i design av høystrøms-PCBer. MOSFET-er og lignende komponenter genererer mye varme, så det er viktig å holde dem så isolert fra andre varme eller temperaturfølsomme områder som mulig. Dette er ikke alltid lett når man har å gjøre med reduserte formfaktorer.
Forsterkere og omformere bør holdes i passende avstand fra MOSFET-er og andre varmeelementer. Selv om det kan være fristende å opprettholde en sone med høy effekt i kanten, tillater ikke dette en jevn temperaturfordeling. I stedet plasseres de i rette linjer over hele kretskortet for å beholde energien, noe som gjør varmen jevnere.
Ved å ta fatt på de mest innflytelsesrike områdene først, er det enklere å bestemme de ideelle komponentene. Bestem først den ideelle plasseringen for komponentene med høy temperatur. Når du vet hvor du skal plassere dem, kan du bruke resten til å fylle hullene.

3. Optimaliser varmespredningshåndteringen
På samme måte krever høystrøms-PCB-er nøye termisk styring. For de fleste bruksområder betyr dette å holde den indre temperaturen under 130 grader Celsius for glassovergangstemperaturen til FR4-laminater. Optimalisering av komponentplassering vil hjelpe, men trinnene for varmeminimering må stoppe der.
Naturlig konveksjonskjøling kan være tilstrekkelig for mindre forbrukerelektronikk-kretskort, men er kanskje ikke tilstrekkelig for applikasjoner med høyere effekt. Mekaniske radiatorer kan være nødvendig. Aktiv kjøling som vifter eller væskekjølesystemer rundt MOSFET-ene hjelper også. Imidlertid er det ikke sikkert at noen enhetsdesign er store nok til å romme tradisjonelle radiatorer eller aktiv kjøling.
For mindre, men høytytende PCB-er er varmespredning gjennom hull et nyttig alternativ. Et svært ledende metall med en rekke hull støpt vil fjerne varme fra MOSFET-er eller lignende komponenter før den når mer følsomme områder.

4. Bruk de riktige materialene
Materialvalg vil være til stor fordel når man optimaliserer varmestyringen og sikrer at komponentene tåler høyere strømstyrker. Dette gjelder for PCB-komponenter og substrater.
Selv om FR4 er det vanligste substratet, er det ikke alltid det beste valget for PCB-design med høy strømstyrke. Metallkjerne-PCB-er kan være ideelle fordi de balanserer isolasjonen og kostnadseffektiviteten til substrater som FR4 med styrken og temperaturforskyvningen til svært ledende metaller. Alternativt lager noen produsenter spesielle varmebestandige laminater som du kan vurdere.
Igjen, du bør bare bruke komponenter med høye termiske motstandsverdier. Noen ganger betyr dette å velge materialer som er mer varmebestandige, mens det i andre tilfeller betyr å bruke tykkere komponenter av samme materiale. Hvilket alternativ som er best avhenger av PCB-størrelsen, budsjettet og tilgjengelige leverandører.

5. Forbedre kvalitetskontrollprosessen
Påliteligheten til høystrøms-kretskort handler også om å finne feil i produksjonen. Hvis produksjonsprosessen ikke kan finne og rette opp feil som oppveier fordelene, vil de fire designvalgene ovenfor ikke gi mye forbedring. Mer pålitelige kvalitetskontroller for prototype-iterasjoner er også viktige.
Å bruke de riktige verktøyene for å evaluere kvaliteten på et PCB er en av de viktigste faktorene innen feltet. Digitale optiske komparatorer som maler og deksler overgår tradisjonelle metoder ettersom de strekker seg og forvrenges over tid, noe som hindrer påliteligheten deres. Du bør også vurdere verktøy som er enkle å automatisere for å minimere risikoen for menneskelige feil.
Uansett hvilke spesifikke metoder og teknikker du bruker, er det avgjørende å spore alle defekter. Over tid kan disse dataene avdekke trender i fremveksten av problemer, noe som gir mer pålitelige endringer i PCB-design.

6. Produserbarhetsdesign
En lignende, men ofte oversett faktor i design av høystrøms-kretskort er å sikre enkel produksjon. Hvis produksjonsfeil er så vanlige at enheten sjelden oppfyller spesifikasjonene på papiret, spiller det ingen rolle hvor pålitelig kretskortet er i teorien.
Løsningen er å unngå altfor komplekse eller intrikate design så mye som mulig. Når du designer høystrøms-kretskort, må du huske på produksjonsprosessen, og vurdere hvordan disse arbeidsflytene kan produsere dem og hvilke problemer som kan oppstå. Jo enklere du kan lage feilfrie produkter, desto mer pålitelige vil de være.
Dette trinnet krever tett samarbeid med produksjonsinteressenter. Hvis du ikke håndterer produksjonen internt, bør du involvere produksjonspartnerne dine i designfasen for å få deres innspill på potensielle produksjonsproblemer.

7. Bruk teknologi til din fordel
Nye planleggings- og produksjonsteknikker kan gjøre det enklere å balansere disse hensynene. 3D-printing introduserer mer designfleksibilitet for å støtte mer komplekse PCB-oppsett uten produksjonsfeil. Presisjonen lar deg også sikre at kobberledningene følger en kurve i stedet for en rett vinkel for å redusere lengden og minimere strømforbruket.
Kunstig intelligens er en annen teknologi som er verdt å undersøke. AI-baserte PCB-verktøy kan automatisk plassere komponenter eller fremheve potensielle designproblemer for å forhindre at feil oppstår i den virkelige verden. Lignende løsninger kan simulere forskjellige testmiljøer for å evaluere ytelsen til PCB-er før fysiske prototyper produseres.

Høystrøms PCB-design krever forsiktighet
Det er ikke lett å designe et pålitelig høystrøms-kretskort, men det er heller ikke umulig. Å følge disse syv trinnene vil hjelpe deg med å optimalisere designprosessen for å lage mer effektive høyeffektsenheter.
Etter hvert som det industrielle tingenes internett vokser, vil disse hensynene bli enda viktigere. Å omfavne dem nå vil være nøkkelen til fortsatt suksess i fremtiden.