Проектирование любой печатной платы — непростая задача, особенно по мере того, как устройства становятся всё меньше и меньше. Проектирование сильноточных печатных плат ещё сложнее, поскольку оно сталкивается со всеми теми же трудностями и требует учёта дополнительных уникальных факторов.
Эксперты прогнозируют, что спрос на высокомощные устройства, вероятно, возрастет, и к 2030 году темпы годового прироста промышленного Интернета вещей достигнут двузначных значений. Ниже приведены семь шагов по оптимизации конструкции печатных плат в сильноточной электронике с учетом этой тенденции.

1. Убедитесь, что кабель имеет достаточный размер.
Размер линии — один из важнейших факторов проектирования сильноточных печатных плат. Медные провода обычно миниатюризируют для создания более компактных конструкций, но это не работает при более высоких токах. Малое поперечное сечение может привести к потерям мощности из-за рассеивания тепла, поэтому требуется достаточно большой размер дорожек.
Площадь поперечного сечения провода можно изменить, регулируя два фактора: ширину провода и толщину меди. Баланс этих двух факторов — ключ к снижению энергопотребления и поддержанию идеального размера печатной платы.
Воспользуйтесь калькулятором ширины линий печатной платы, чтобы узнать, какие размеры и толщина линий поддерживают необходимый для вашего устройства тип тока. Используя эти инструменты, убедитесь, что сечение проводников рассчитано на более высокие токи, чем вам требуется.

2. Переосмыслите размещение компонентов
Компоновка компонентов — ещё один ключевой фактор при проектировании сильноточных печатных плат. МОП-транзисторы и аналогичные компоненты выделяют много тепла, поэтому важно максимально изолировать их от других горячих или чувствительных к температуре точек. Это не всегда просто, когда речь идёт о микросхемах с уменьшенным форм-фактором.
Усилители и преобразователи следует размещать на соответствующем расстоянии от МОП-транзисторов и других нагревающихся элементов. Хотя может возникнуть соблазн разместить зону высокой мощности по краю платы, это не обеспечит равномерного распределения температуры. Вместо этого они располагаются по прямой линии на плате для сохранения энергии, что обеспечивает более равномерное распределение тепла.
Обращаясь в первую очередь к наиболее важным зонам, легче определить оптимальные компоненты. Сначала определите идеальное расположение высокотемпературных компонентов. Как только вы определитесь, где их разместить, можно использовать оставшиеся компоненты для заполнения пробелов.

3.Оптимизация управления теплоотводом
Аналогично, сильноточные печатные платы также требуют тщательного управления температурой. Для большинства применений это означает поддержание внутренней температуры ниже 130 градусов Цельсия, что соответствует температуре стеклования ламинатов FR4. Оптимизация размещения компонентов может помочь, но на этом меры по минимизации нагрева должны заканчиваться.
Естественная конвекция может быть достаточной для небольших печатных плат бытовой электроники, но может быть недостаточной для более мощных устройств. Могут потребоваться механические радиаторы. Активное охлаждение, такое как вентиляторы или системы жидкостного охлаждения вокруг МОП-транзисторов, также помогает. Однако некоторые устройства могут быть недостаточно компактными для установки традиционных радиаторов или активного охлаждения.
Для небольших, но высокопроизводительных печатных плат отвод тепла через отверстия является полезной альтернативой. Высокопроводящий металл с рядом отверстий отводит тепло от МОП-транзисторов или аналогичных компонентов, прежде чем оно достигнет более чувствительных участков.

4.Используйте правильные материалы
Выбор материала имеет большое значение для оптимизации теплоотвода и обеспечения способности компонентов выдерживать более высокие токи. Это относится к компонентам печатных плат и подложкам.
Хотя FR4 является наиболее распространённым субстратом, он не всегда является лучшим выбором для сильноточных печатных плат. Печатные платы с металлическим сердечником могут быть идеальным вариантом, поскольку они сочетают в себе изоляцию и экономичность субстратов, таких как FR4, с прочностью и температурным диапазоном, характерным для металлов с высокой проводимостью. В качестве альтернативы, некоторые производители выпускают специальные термостойкие ламинаты, которые стоит рассмотреть.
Опять же, следует использовать только компоненты с высоким значением теплового сопротивления. Иногда это означает выбор более термостойких материалов, а в других случаях — использование более толстых компонентов из того же материала. Выбор оптимального варианта зависит от размера вашей печатной платы, бюджета и доступных поставщиков.

5.Улучшить процесс контроля качества
Надёжность сильноточных печатных плат также зависит от выявления ошибок в процессе производства. Если производственный процесс не позволяет обнаружить и устранить дефекты, которые нивелируют его преимущества, то четыре вышеперечисленных варианта конструкции не приведут к существенному улучшению. Также важны более надёжные проверки качества при повторных разработках прототипов.
Использование правильных инструментов для оценки качества печатной платы — один из важнейших факторов в этой области. Цифровые оптические компараторы, используемые в качестве шаблонов и покрытий, превосходят традиционные методы, поскольку со временем они растягиваются и деформируются, что снижает их надежность. Также следует рассмотреть инструменты, которые легко автоматизировать, чтобы минимизировать риск человеческой ошибки.
Независимо от используемых вами методов и технологий, отслеживание всех дефектов имеет решающее значение. Со временем эти данные могут выявить тенденции возникновения проблем, обеспечивая более надёжные изменения в конструкции печатной платы.

6.Технологичность конструкции
Аналогичным, но часто упускаемым из виду фактором при проектировании сильноточных печатных плат является простота производства. Если производственные ошибки настолько распространены, что устройство редко соответствует заявленным характеристикам, неважно, насколько надёжна печатная плата в теории.
Решение — по возможности избегать чрезмерно сложных или запутанных конструкций. При проектировании сильноточных печатных плат учитывайте особенности вашего производственного процесса, учитывая, как эти процессы могут их создавать и какие проблемы могут возникнуть. Чем проще вам будет производить изделия без ошибок, тем они будут надёжнее.
Этот этап требует тесного взаимодействия с участниками производства. Если вы не занимаетесь производством самостоятельно, привлеките своих партнёров к этапу проектирования, чтобы получить их мнение о потенциальных проблемах, связанных с технологичностью.

7. Используйте технологии в своих интересах
Новые методы планирования и производства упрощают баланс этих факторов. 3D-печать обеспечивает большую гибкость проектирования, позволяя создавать более сложные печатные платы без производственных ошибок. Высокая точность также позволяет гарантировать, что медные проводники будут проходить по кривой, а не под прямым углом, что позволяет уменьшить их длину и минимизировать энергопотребление.
Искусственный интеллект — ещё одна технология, заслуживающая внимания. Инструменты ИИ для печатных плат могут автоматически размещать компоненты или выявлять потенциальные проблемы проектирования, предотвращая появление ошибок в реальном мире. Аналогичные решения могут имитировать различные тестовые среды для оценки производительности печатных плат перед изготовлением физических прототипов.

Проектирование печатных плат с высоким током требует осторожности
Разработка надёжной сильноточной печатной платы — непростая задача, но вполне осуществимая. Эти семь шагов помогут вам оптимизировать процесс проектирования и создавать более эффективные мощные устройства.
По мере развития промышленного Интернета вещей эти соображения будут становиться всё более важными. Их принятие сейчас станет залогом дальнейшего успеха в будущем.