Navrhovanie akejkoľvek dosky plošných spojov je náročné, najmä preto, že zariadenia sa zmenšujú a zmenšujú. Návrh dosky plošných spojov pre vysoké prúdy je ešte zložitejší, pretože má všetky rovnaké prekážky a vyžaduje si zváženie ďalšieho súboru jedinečných faktorov.
Odborníci predpovedajú, že dopyt po zariadeniach s vysokým výkonom pravdepodobne vzrastie a do roku 2030 dosiahne dvojciferné ročné tempo rastu priemyselného internetu vecí. Tu je sedem krokov na optimalizáciu návrhu dosiek plošných spojov v elektronike s vysokým prúdom pre tento trend.

1. Zabezpečte dostatočnú veľkosť kábla
Veľkosť vedenia je jedným z najdôležitejších konštrukčných aspektov pre dosky plošných spojov s vysokým prúdom. Medené vodiče sa zvyčajne miniaturizujú kvôli kompaktnejším konštrukciám, ale to nefunguje pri vyšších prúdoch. Malý prierez môže viesť k strate výkonu v dôsledku rozptylu tepla, preto je potrebná dostatočne veľká veľkosť vedenia.
Prierez drôtu môžete zmeniť úpravou dvoch faktorov: šírky drôtu a hrúbky medi. Vyváženie týchto dvoch faktorov je kľúčom k zníženiu spotreby energie a udržaniu ideálnej veľkosti dosky plošných spojov.
Použite kalkulačku šírky čiary PCB a zistite, ktoré šírky a hrúbky podporujú typ prúdu potrebného pre vaše zariadenie. Pri používaní týchto nástrojov dávajte pozor, aby ste navrhli veľkosť vodičov tak, aby podporovala vyššie prúdy, než si myslíte, že potrebujete.
2. Prehodnoťte umiestnenie komponentov
Rozloženie súčiastok je ďalším kľúčovým faktorom pri návrhu dosiek plošných spojov s vysokým prúdom. MOSFETy a podobné súčiastky generujú veľa tepla, preto je dôležité udržiavať ich čo najviac izolované od iných horúcich alebo teplotne citlivých miest. To nie je vždy jednoduché pri práci so zníženými tvarovými faktormi.
Zosilňovače a meniče by mali byť umiestnené v primeranej vzdialenosti od MOSFETov a iných vykurovacích prvkov. Hoci môže byť lákavé udržiavať zónu s vysokým výkonom na okraji, neumožňuje to rovnomerné rozloženie teploty. Namiesto toho sú umiestnené v priamych radoch po celej doske, aby sa udržala energia, čo zabezpečuje rovnomernejšie rozloženie tepla.
Ak sa najprv zameriate na najvplyvnejšie oblasti, je jednoduchšie určiť ideálne komponenty. Najprv určte ideálne umiestnenie pre komponenty s vysokou teplotou. Keď budete vedieť, kam ich umiestniť, môžete zvyšok použiť na vyplnenie medzier.
3. Optimalizujte riadenie odvodu tepla
Podobne aj dosky plošných spojov s vysokým prúdom vyžadujú starostlivé tepelné riadenie. Pre väčšinu aplikácií to znamená udržiavanie vnútornej teploty pod 130 stupňov Celzia pre teplotu skleného prechodu laminátov FR4. Optimalizácia umiestnenia súčiastok pomôže, ale vaše kroky na minimalizáciu tepla sa musia tým zastaviť.
Prirodzené konvekčné chladenie môže byť postačujúce pre menšie dosky plošných spojov spotrebnej elektroniky, ale nemusí byť postačujúce pre aplikácie s vyšším výkonom. Môžu byť potrebné mechanické chladiče. Pomáha aj aktívne chladenie, ako sú ventilátory alebo kvapalinové chladiace systémy okolo MOSFETov. Niektoré konštrukcie zariadení však nemusia byť dostatočne veľké na to, aby sa do nich zmestili tradičné chladiče alebo aktívne chladenie.
Pre menšie, ale vysokovýkonné dosky plošných spojov je užitočnou alternatívou odvod tepla cez otvory. Vysoko vodivý kov so sériou nalitých otvorov odvedie teplo z MOSFETov alebo podobných súčiastok skôr, ako sa dostane do citlivejších oblastí.
4. Používajte správne materiály
Výber materiálu bude veľkým prínosom pri optimalizácii tepelného manažmentu a zabezpečení toho, aby súčiastky odolali vyšším prúdom. To platí pre súčiastky a substráty plošných spojov.
Hoci je FR4 najbežnejším substrátom, nie je vždy najlepšou voľbou pre návrhy dosiek plošných spojov s vysokým prúdom. Dosky plošných spojov s kovovým jadrom môžu byť ideálne, pretože vyvažujú izoláciu a nákladovú efektívnosť substrátov, ako je FR4, s pevnosťou a teplotným posunom vysoko vodivých kovov. Prípadne niektorí výrobcovia vyrábajú špeciálne tepelne odolné lamináty, ktoré by ste mohli zvážiť.
Opäť by ste mali používať iba súčiastky s vysokými hodnotami tepelného odporu. Niekedy to znamená výber materiálov, ktoré sú odolnejšie voči teplu, zatiaľ čo v iných prípadoch to znamená použitie hrubších súčiastok z rovnakého materiálu. Ktorá možnosť je najlepšia, závisí od veľkosti vašej dosky plošných spojov, rozpočtu a dostupných dodávateľov.
5. Zlepšiť proces kontroly kvality
Spoľahlivosť vysokoprúdových dosiek plošných spojov je tiež otázkou hľadania chýb vo výrobe. Ak výrobný proces nedokáže nájsť a opraviť chyby, ktoré by prevážili jeho výhody, potom vyššie uvedené štyri možnosti návrhu neprinesú výrazné zlepšenie. Dôležité sú aj spoľahlivejšie kontroly kvality prototypových iterácií.
Používanie správnych nástrojov na hodnotenie kvality dosky plošných spojov je jedným z najdôležitejších faktorov v tejto oblasti. Digitálne optické komparátory ako šablóny a kryty prekonávajú tradičné metódy, pretože sa časom naťahujú a deformujú, čo znižuje ich spoľahlivosť. Mali by ste tiež zvážiť nástroje, ktoré sa dajú ľahko automatizovať, aby sa minimalizovalo riziko ľudskej chyby.
Bez ohľadu na konkrétne metódy a techniky, ktoré používate, sledovanie všetkých defektov je kľúčové. Postupom času môžu tieto údaje odhaliť trendy vo výskyte problémov a poskytnúť spoľahlivejšie zmeny v návrhu dosiek plošných spojov.
6. Návrh vyrobiteľnosti
Podobným, ale často prehliadaným faktorom pri návrhu dosiek plošných spojov pre vysoké prúdy je zabezpečenie jednoduchej výroby. Ak sú výrobné chyby také bežné, že zariadenie len zriedka spĺňa špecifikácie na papieri, nezáleží na tom, aká spoľahlivá je doska plošných spojov teoreticky.
Riešením je čo najviac sa vyhnúť príliš zložitým alebo komplikovaným návrhom. Pri navrhovaní vysokoprúdových dosiek plošných spojov majte na pamäti svoj výrobný proces a zvážte, ako by tieto pracovné postupy mohli viesť k ich vzniku a aké problémy by mohli vzniknúť. Čím jednoduchšie dokážete vyrobiť bezchybné produkty, tým spoľahlivejšie budú.
Tento krok si vyžaduje úzku spoluprácu so zainteresovanými stranami vo výrobe. Ak si výrobu nezabezpečujete interne, zapojte svojich výrobných partnerov do fázy návrhu, aby ste získali ich názor na potenciálne problémy s vyrobiteľnosťou.
7. Využite technológiu vo svoj prospech
Nové techniky plánovania a výroby môžu uľahčiť vyváženie týchto aspektov. 3D tlač prináša väčšiu flexibilitu dizajnu na podporu zložitejších rozložení dosiek plošných spojov bez výrobných chýb. Jej presnosť tiež umožňuje zabezpečiť, aby medené vodiče sledovali krivku a nie pravý uhol, čím sa skráti ich dĺžka a minimalizuje spotreba energie.
Ďalšou technológiou, ktorá stojí za preskúmanie, je umelá inteligencia. Nástroje umelej inteligencie pre dosky plošných spojov dokážu automaticky umiestňovať komponenty alebo zvýrazniť potenciálne problémy s návrhom, aby sa predišlo chybám v reálnom svete. Podobné riešenia dokážu simulovať rôzne testovacie prostredia na vyhodnotenie výkonu dosiek plošných spojov pred výrobou fyzických prototypov.
Návrh vysokoprúdových PCB vyžaduje opatrnosť
Navrhovanie spoľahlivej dosky plošných spojov pre vysoký prúd nie je jednoduché, ale nie je to nemožné. Dodržiavanie týchto siedmich krokov vám pomôže optimalizovať proces návrhu a vytvoriť efektívnejšie zariadenia s vysokým výkonom.
S rastom priemyselného internetu vecí budú tieto aspekty ešte dôležitejšie. Ich prijatie teraz bude kľúčom k pokračujúcemu úspechu v budúcnosti.