Projektowanie dowolnej płytki PCB jest trudne, zwłaszcza gdy urządzenia stają się coraz mniejsze. Projektowanie płytek PCB o wysokim natężeniu prądu jest jeszcze bardziej złożone, ponieważ napotyka te same przeszkody i wymaga uwzględnienia dodatkowego zestawu unikalnych czynników.
Eksperci przewidują, że popyt na urządzenia dużej mocy prawdopodobnie wzrośnie, osiągając dwucyfrowe roczne wskaźniki wzrostu dla przemysłowego Internetu Rzeczy (IoT) do 2030 roku. Oto siedem kroków optymalizacji projektowania płytek PCB w elektronice wysokoprądowej pod kątem tego trendu.

1. Upewnij się, że rozmiar kabla jest wystarczający
Rozmiar linii jest jednym z najważniejszych czynników projektowych w przypadku PCB o wysokim natężeniu prądu. Przewody miedziane są zazwyczaj miniaturyzowane w celu uzyskania bardziej kompaktowych konstrukcji, ale nie sprawdza się to przy wyższych prądach. Mały przekrój poprzeczny może prowadzić do strat mocy na skutek rozpraszania ciepła, dlatego wymagany jest odpowiednio duży rozmiar ścieżki.
Możesz zmienić przekrój poprzeczny przewodu, dostosowując dwa czynniki: szerokość przewodu i grubość miedzi. Zrównoważenie tych dwóch czynników jest kluczem do zmniejszenia zużycia energii i utrzymania idealnego rozmiaru płytki PCB.
Skorzystaj z kalkulatora szerokości linii PCB, aby dowiedzieć się, jakie szerokości i grubości obsługują prąd wymagany przez Twoje urządzenie. Korzystając z tych narzędzi, pamiętaj o zaprojektowaniu rozmiaru okablowania tak, aby obsługiwał wyższe natężenia prądu, niż myślisz, że potrzebujesz.

2. Przemyśl rozmieszczenie komponentów
Układ komponentów to kolejny kluczowy aspekt w projektowaniu płytek PCB o wysokim natężeniu prądu. Tranzystory MOSFET i podobne komponenty generują dużo ciepła, dlatego ważne jest, aby były jak najlepiej odizolowane od innych gorących lub wrażliwych na temperaturę miejsc. Nie zawsze jest to łatwe w przypadku mniejszych formatów.
Wzmacniacze i konwertery powinny być umieszczone w odpowiedniej odległości od tranzystorów MOSFET i innych elementów grzejnych. Choć kuszące może być utrzymanie strefy wysokiej mocy na krawędziach, nie zapewnia to równomiernego rozkładu temperatury. Zamiast tego, elementy te są rozmieszczone w liniach prostych na całej powierzchni płytki, aby zatrzymywać energię, co sprawia, że ​​ciepło rozchodzi się bardziej równomiernie.
Zmierzając najpierw do najbardziej wpływowych obszarów, łatwiej jest określić idealne komponenty. Najpierw określ idealne położenie komponentów wysokotemperaturowych. Gdy już wiesz, gdzie je umieścić, możesz wykorzystać resztę do wypełnienia luk.

3. Zoptymalizuj zarządzanie odprowadzaniem ciepła
Podobnie, wysokoprądowe PCB również wymagają starannego zarządzania temperaturą. W większości zastosowań oznacza to utrzymanie temperatury wewnętrznej poniżej 130 stopni Celsjusza, co odpowiada temperaturze zeszklenia laminatów FR4. Optymalizacja rozmieszczenia komponentów będzie pomocna, ale działania mające na celu minimalizację ciepła muszą się na tym zakończyć.
Chłodzenie konwekcyjne może być wystarczające w przypadku mniejszych płytek PCB elektroniki użytkowej, ale może nie być wystarczające w zastosowaniach o wyższej mocy. Konieczne mogą być radiatory mechaniczne. Pomocne jest również chłodzenie aktywne, takie jak wentylatory lub systemy chłodzenia cieczą wokół tranzystorów MOSFET. Jednak niektóre projekty urządzeń mogą być zbyt małe, aby pomieścić tradycyjne radiatory lub chłodzenie aktywne.
W przypadku mniejszych, ale wysokowydajnych płytek PCB, rozpraszanie ciepła przez otwory jest użyteczną alternatywą. Wysoce przewodzący metal z szeregiem wylanych otworów odprowadzi ciepło z tranzystorów MOSFET lub podobnych komponentów, zanim dotrze ono do bardziej wrażliwych obszarów.

4. Używaj odpowiednich materiałów
Dobór materiałów będzie niezwykle pomocny w optymalizacji zarządzania temperaturą i zapewnieniu, że komponenty będą w stanie wytrzymać wyższe natężenie prądu. Dotyczy to zarówno komponentów PCB, jak i podłoży.
Chociaż FR4 jest najpopularniejszym podłożem, nie zawsze jest najlepszym wyborem do projektów PCB o wysokim natężeniu prądu. Płytki PCB z rdzeniem metalowym mogą być idealne, ponieważ łączą izolacyjność i opłacalność podłoży takich jak FR4 z wytrzymałością i odpornością na temperaturę metali o wysokiej przewodności. Alternatywnie, niektórzy producenci oferują specjalne laminaty odporne na wysoką temperaturę, które warto rozważyć.
Ponownie, należy używać wyłącznie komponentów o wysokiej rezystancji termicznej. Czasami oznacza to wybór materiałów o większej odporności termicznej, a w innych przypadkach grubszych komponentów z tego samego materiału. Wybór najlepszej opcji zależy od rozmiaru płytki PCB, budżetu i dostępnych dostawców.

5. Popraw proces kontroli jakości
Niezawodność wysokoprądowych płytek PCB jest również kwestią wykrywania błędów w produkcji. Jeśli proces produkcyjny nie jest w stanie wykryć i wyeliminować defektów, które niwelują jego zalety, powyższe cztery rozwiązania projektowe nie przyniosą znaczącej poprawy. Ważne są również bardziej niezawodne kontrole jakości kolejnych wersji prototypów.
Użycie odpowiednich narzędzi do oceny jakości PCB jest jednym z najważniejszych czynników w tej dziedzinie. Cyfrowe komparatory optyczne, stosowane jako szablony i powłoki, przewyższają tradycyjne metody, ponieważ z czasem ulegają rozciąganiu i odkształcaniu, co obniża ich niezawodność. Należy również rozważyć narzędzia łatwe do zautomatyzowania, aby zminimalizować ryzyko błędu ludzkiego.
Niezależnie od stosowanych metod i technik, śledzenie wszystkich defektów ma kluczowe znaczenie. Z czasem dane te mogą ujawnić trendy w pojawianiu się problemów, umożliwiając bardziej niezawodne wprowadzanie zmian w projektach PCB.

6. Projektowanie pod kątem możliwości produkcji
Podobnym, ale często pomijanym czynnikiem w projektowaniu płytek PCB o wysokim natężeniu prądu jest zapewnienie łatwości produkcji. Jeśli błędy produkcyjne są tak częste, że urządzenie rzadko spełnia specyfikacje na papierze, teoretyczna niezawodność płytki PCB nie ma znaczenia.
Rozwiązaniem jest unikanie nadmiernie skomplikowanych i skomplikowanych projektów w jak największym stopniu. Projektując płytki PCB o wysokim natężeniu prądu, należy wziąć pod uwagę proces produkcyjny, biorąc pod uwagę, w jaki sposób te procesy mogą je wygenerować i jakie problemy mogą się pojawić. Im łatwiej będzie tworzyć produkty wolne od błędów, tym bardziej będą one niezawodne.
Ten etap wymaga ścisłej współpracy z interesariuszami produkcji. Jeśli nie zajmujesz się produkcją we własnym zakresie, zaangażuj swoich partnerów produkcyjnych już na etapie projektowania, aby uzyskać ich opinie na temat potencjalnych problemów z wykonalnością.

7. Wykorzystuj technologię na swoją korzyść
Nowe techniki planowania i produkcji mogą ułatwić znalezienie równowagi między tymi czynnikami. Druk 3D zapewnia większą elastyczność projektowania, umożliwiając obsługę bardziej złożonych układów PCB bez błędów produkcyjnych. Jego precyzja pozwala również zapewnić, że miedziane okablowanie przebiega po łuku, a nie pod kątem prostym, co pozwala na skrócenie jego długości i zminimalizowanie zużycia energii.
Sztuczna inteligencja to kolejna technologia warta zbadania. Narzędzia PCB oparte na sztucznej inteligencji (AI) mogą automatycznie rozmieszczać komponenty lub sygnalizować potencjalne problemy projektowe, zapobiegając pojawianiu się błędów w świecie rzeczywistym. Podobne rozwiązania mogą symulować różne środowiska testowe w celu oceny wydajności PCB przed wyprodukowaniem fizycznych prototypów.

Projektowanie płytek PCB o wysokim natężeniu prądu wymaga ostrożności
Zaprojektowanie niezawodnej płytki PCB o wysokim natężeniu prądu nie jest łatwe, ale nie jest niemożliwe. Postępowanie zgodnie z tymi siedmioma krokami pomoże Ci zoptymalizować proces projektowania i stworzyć bardziej wydajne urządzenia o dużej mocy.
Wraz z rozwojem Przemysłowego Internetu Rzeczy, te kwestie będą zyskiwać na znaczeniu. Ich uwzględnienie już teraz będzie kluczem do dalszego sukcesu w przyszłości.