Proiectarea oricărui PCB este o provocare, mai ales pe măsură ce dispozitivele devin din ce în ce mai mici. Proiectarea PCB-urilor de curent înalt este și mai complexă, deoarece prezintă aceleași obstacole și necesită un set suplimentar de factori unici de luat în considerare.
Experții prevăd că cererea de dispozitive de mare putere va crește probabil pentru a atinge rate anuale de creștere de două cifre pentru IoT industrial până în 2030. Iată șapte pași pentru a optimiza proiectarea PCB-urilor în electronica de curent înalt pentru această tendință.

1. Asigurați o dimensiune suficientă a cablului
Dimensiunea liniei este una dintre cele mai importante considerații de proiectare pentru PCB-urile de curenți mari. Cablajele de cupru au avut tendința de a fi miniaturizate pentru designuri mai compacte, dar acest lucru nu funcționează la curenți mai mari. O secțiune transversală mică poate duce la pierderi de putere prin disiparea căldurii, așa că este necesară o dimensiune suficient de mare a pistei.
Puteți modifica aria secțiunii transversale a firului ajustând doi factori: lățimea firului și grosimea cuprului. Echilibrarea acestor două este cheia pentru reducerea consumului de energie și menținerea dimensiunii ideale a PCB-ului.
Folosește calculatorul pentru lățimea liniei PCB pentru a afla ce lățimi și grosimi suportă tipul de curent necesar pentru dispozitivul tău. Atunci când folosești aceste instrumente, ai grijă să proiectezi dimensiunea cablurilor pentru a suporta curenți mai mari decât crezi că ai nevoie.

2. Regândiți plasarea componentelor
Dispunerea componentelor este o altă considerație cheie în proiectarea PCB-urilor de curent mare. MOSFET-urile și componentele similare generează multă căldură, așa că este important să fie izolate cât mai mult posibil de alte puncte fierbinți sau sensibile la temperatură. Acest lucru nu este întotdeauna ușor atunci când se lucrează cu factori de formă reduși.
Amplificatoarele și convertoarele ar trebui ținute la o distanță adecvată de tranzistoarele MOSFET și alte elemente de încălzire. Deși poate fi tentant să se mențină o zonă de putere mare la margine, acest lucru nu permite o distribuție uniformă a temperaturii. În schimb, acestea sunt plasate în linii drepte pe placă pentru a reține energia, ceea ce face ca căldura să fie mai uniformă.
Abordând mai întâi zonele cu cea mai mare influență, este mai ușor să determinați componentele ideale. Mai întâi, stabiliți locația ideală pentru componentele cu temperatură înaltă. Odată ce știți unde să le amplasați, puteți folosi restul pentru a completa golurile.

3. Optimizarea gestionării disipării căldurii
În mod similar, PCB-urile cu curenți mari necesită, de asemenea, o gestionare termică atentă. Pentru majoritatea aplicațiilor, aceasta înseamnă menținerea temperaturii interne sub 130 de grade Celsius pentru temperatura de tranziție vitroasă a laminatelor FR4. Optimizarea plasării componentelor va ajuta, dar pașii de minimizare a căldurii trebuie să se oprească aici.
Răcirea prin convecție naturală poate fi suficientă pentru PCB-uri electronice de consum mai mici, dar poate să nu fie suficientă pentru aplicații de putere mai mare. Pot fi necesare radiatoare mecanice. Răcirea activă, cum ar fi ventilatoarele sau sistemele de răcire cu lichid în jurul MOSFET-urilor, ajută de asemenea. Cu toate acestea, este posibil ca unele modele de dispozitive să nu fie suficient de mari pentru a găzdui radiatoare tradiționale sau răcire activă.
Pentru PCB-uri mai mici, dar de înaltă performanță, disiparea căldurii prin orificii este o alternativă utilă. Un metal cu conductivitate ridicată, cu o serie de orificii turnate, va elimina căldura de la MOSFET-uri sau componente similare înainte ca aceasta să ajungă în zone mai sensibile.

4. Folosește materialele potrivite
Selecția materialelor va fi de mare folos atunci când se optimizează gestionarea termică și se asigură că componentele pot rezista la curenți mai mari. Acest lucru se aplică componentelor și substraturilor PCB.
Deși FR4 este cel mai comun substrat, nu este întotdeauna cea mai bună alegere pentru proiectele de PCB-uri de curent mare. PCB-urile cu miez metalic pot fi ideale deoarece echilibrează izolația și rentabilitatea substraturilor precum FR4 cu rezistența și deplasarea la temperatură a metalelor cu conductivitate ridicată. Alternativ, unii producători realizează laminate speciale rezistente la căldură pe care le-ați putea lua în considerare.
Din nou, ar trebui să utilizați doar componente cu valori ridicate de rezistență termică. Uneori, aceasta înseamnă alegerea unor materiale mai rezistente la căldură, în timp ce în alte cazuri înseamnă utilizarea unor componente mai groase din același material. Cea mai bună opțiune depinde de dimensiunea PCB-ului, de buget și de furnizorii disponibili.

5. Îmbunătățirea procesului de control al calității
Fiabilitatea PCB-urilor de înaltă tensiune este, de asemenea, o chestiune de identificare a erorilor în producție. Dacă procesul de fabricație nu poate identifica și remedia defectele care îi compensează avantajele, atunci cele patru opțiuni de proiectare de mai sus nu vor aduce îmbunătățiri semnificative. De asemenea, sunt importante verificări ale calității mai fiabile pentru iterațiile prototipurilor.
Utilizarea instrumentelor potrivite pentru a evalua calitatea unui PCB este una dintre cele mai importante considerații în domeniu. Comparatoarele optice digitale, folosite ca șabloane și învelișuri, depășesc metodele tradiționale, deoarece se întind și se distorsionează în timp, afectându-le fiabilitatea. De asemenea, ar trebui să luați în considerare instrumente ușor de automatizat pentru a minimiza riscul de eroare umană.
Indiferent de metodele și tehnicile specifice pe care le utilizați, urmărirea tuturor defectelor este esențială. În timp, aceste date pot dezvălui tendințe în apariția problemelor, oferind modificări mai fiabile ale designului PCB-urilor.

6. Proiectarea fabricabilității
Un factor similar, dar adesea trecut cu vederea, în proiectarea PCB-urilor de curent înalt este asigurarea ușurinței fabricației. Dacă erorile de producție sunt atât de frecvente încât dispozitivul rareori îndeplinește specificațiile pe hârtie, nu contează cât de fiabil este PCB-ul în teorie.
Soluția este de a evita pe cât posibil designurile excesiv de complexe sau complicate. Atunci când proiectați PCB-uri de înaltă tensiune, țineți cont de procesul de fabricație, luând în considerare modul în care aceste fluxuri de lucru le-ar putea produce și ce probleme ar putea apărea. Cu cât puteți realiza mai ușor produse fără erori, cu atât acestea vor fi mai fiabile.
Acest pas necesită o cooperare strânsă cu părțile interesate din producție. Dacă nu gestionați producția intern, implicați partenerii de producție în faza de proiectare pentru a le obține feedback cu privire la potențialele probleme de fabricabilitate.

7. Folosește tehnologia în avantajul tău
Noile tehnici de planificare și producție pot facilita echilibrarea acestor considerații. Imprimarea 3D introduce o flexibilitate sporită în proiectare pentru a susține machete PCB mai complexe, fără erori de producție. Precizia sa vă permite, de asemenea, să vă asigurați că firele de cupru urmează o curbă, mai degrabă decât un unghi drept, pentru a reduce lungimea și a minimiza consumul de energie.
Inteligența artificială este o altă tehnologie care merită investigată. Instrumentele PCB bazate pe inteligență artificială pot plasa automat componentele sau pot evidenția potențialele probleme de proiectare pentru a preveni apariția erorilor în lumea reală. Soluții similare pot simula diferite medii de testare pentru a evalua performanța PCB-urilor înainte de a produce prototipuri fizice.

Proiectarea PCB-urilor cu curent ridicat necesită prudență
Proiectarea unui PCB fiabil de curent mare nu este ușoară, dar nici imposibilă. Urmarea acestor șapte pași vă va ajuta să optimizați procesul de proiectare pentru a crea dispozitive de mare putere mai eficiente.
Pe măsură ce Internetul Industrial al Lucrurilor se dezvoltă, aceste considerații vor deveni și mai importante. Adoptarea lor acum va fi cheia succesului continuu în viitor.