Načrtovanje katerega koli tiskanega vezja je zahtevno, še posebej, ker naprave postajajo vse manjše. Načrtovanje tiskanega vezja za visoke tokove je še bolj zapleteno, ker ima vse enake ovire in zahteva upoštevanje dodatnega nabora edinstvenih dejavnikov.
Strokovnjaki napovedujejo, da se bo povpraševanje po napravah z visoko močjo verjetno povečalo in do leta 2030 doseglo dvomestne letne stopnje rasti za industrijski internet stvari. Tukaj je sedem korakov za optimizacijo zasnove tiskanih vezij v visokotokovni elektroniki za ta trend.

1. Zagotovite zadostno velikost kabla
Velikost vodnika je eden najpomembnejših dejavnikov pri načrtovanju visokotokovnih tiskanih vezij. Bakrene žice so bile običajno miniaturizirane za bolj kompaktne zasnove, vendar to ne deluje pri višjih tokovih. Majhen presek lahko povzroči izgubo moči zaradi odvajanja toplote, zato je potrebna ustrezno velika velikost vodnika.
Prečni prerez žice lahko spremenite z dvema dejavnikoma: širino žice in debelino bakra. Uravnoteženje teh dveh dejavnikov je ključ do zmanjšanja porabe energije in ohranjanja idealne velikosti tiskanega vezja.
S kalkulatorjem širine tiskanih vezij ugotovite, katere širine in debeline podpirajo vrsto toka, ki jo potrebuje vaša naprava. Pri uporabi teh orodij bodite previdni, da oblikujete velikost ožičenja tako, da podpira višje tokove, kot jih mislite, da potrebujete.

2. Ponovno premislite o namestitvi komponent
Razporeditev komponent je še en ključni dejavnik pri načrtovanju tiskanih vezij za visoke tokove. MOSFET-i in podobne komponente ustvarjajo veliko toplote, zato je pomembno, da so čim bolj izolirani od drugih vročih ali temperaturno občutljivih mest. To ni vedno enostavno pri manjših oblikah.
Ojačevalniki in pretvorniki morajo biti nameščeni na ustrezni razdalji od MOSFET-ov in drugih grelnih elementov. Čeprav je morda skušnjava ohraniti območje visoke moči na robu, to ne omogoča enakomerne porazdelitve temperature. Namesto tega so nameščeni v ravnih linijah po plošči, da zadržijo energijo, zaradi česar je toplota bolj enakomerna.
Če se najprej lotite najbolj vplivnih območij, je lažje določiti idealne komponente. Najprej določite idealno lokacijo za visokotemperaturne komponente. Ko veste, kam jih namestiti, lahko s preostalimi zapolnite vrzeli.

3. Optimizirajte upravljanje odvajanja toplote
Podobno tudi visokotokovne tiskane vezja zahtevajo skrbno upravljanje temperature. Za večino aplikacij to pomeni ohranjanje notranje temperature pod 130 stopinj Celzija za temperaturo steklastega prehoda laminatov FR4. Optimizacija namestitve komponent bo pomagala, vendar se morajo vaši koraki za zmanjšanje toplote tu ustaviti.
Naravno konvekcijsko hlajenje je lahko zadostno za manjše tiskane vezja potrošniške elektronike, vendar morda ne bo zadostovalo za aplikacije z večjo porabo energije. Morda bodo potrebni mehanski radiatorji. Pomaga tudi aktivno hlajenje, kot so ventilatorji ali sistemi za tekočinsko hlajenje okoli MOSFET-ov. Vendar pa nekatere zasnove naprav morda niso dovolj velike, da bi namestile tradicionalne radiatorje ali aktivno hlajenje.
Za manjše, a visokozmogljive tiskane vezije (PCB) je odvajanje toplote skozi luknje uporabna alternativa. Visoko prevodna kovina z vrsto vlitih lukenj bo odvajala toploto iz MOSFET-ov ali podobnih komponent, preden doseže občutljivejša območja.

4. Uporabite prave materiale
Izbira materiala bo zelo koristna pri optimizaciji toplotnega upravljanja in zagotavljanju, da komponente prenesejo višje tokove. To velja za komponente in podlage tiskanih vezij.
Čeprav je FR4 najpogostejši substrat, ni vedno najboljša izbira za zasnove tiskanih vezij z visokim tokom. Tiskana vezija s kovinskim jedrom so morda idealna, ker uravnotežijo izolacijo in stroškovno učinkovitost substratov, kot je FR4, z trdnostjo in temperaturnim premikanjem visoko prevodnih kovin. Druga možnost so, da nekateri proizvajalci izdelujejo posebne toplotno odporne laminate, ki jih lahko upoštevate.
Ponovno, uporabljajte le komponente z visokimi vrednostmi toplotne upornosti. Včasih to pomeni izbiro materialov, ki so bolj odporni na vročino, v drugih primerih pa uporabo debelejših komponent iz istega materiala. Katera možnost je najboljša, je odvisna od velikosti vaše tiskane vezije, proračuna in razpoložljivih dobaviteljev.

5. Izboljšajte postopek nadzora kakovosti
Zanesljivost visokotokovnih tiskanih vezij je odvisna tudi od iskanja napak v proizvodnji. Če proizvodni proces ne more najti in odpraviti napak, ki bi izničile njegove prednosti, potem zgornje štiri možnosti zasnove ne bodo prinesle bistvenih izboljšav. Pomembni so tudi zanesljivejši pregledi kakovosti prototipov.
Uporaba pravih orodij za ocenjevanje kakovosti tiskanega vezja je eden najpomembnejših dejavnikov na tem področju. Digitalni optični primerjalniki kot predloge in prevleke prekašajo tradicionalne metode, saj se sčasoma raztezajo in deformirajo, kar zmanjšuje njihovo zanesljivost. Razmislite tudi o orodjih, ki jih je enostavno avtomatizirati, da zmanjšate tveganje za človeške napake.
Ne glede na specifične metode in tehnike, ki jih uporabljate, je sledenje vsem napakam ključnega pomena. Sčasoma lahko ti podatki razkrijejo trende v nastajanju težav in zagotovijo zanesljivejše spremembe v zasnovi tiskanih vezij.

6. Zasnova proizvodnosti
Podoben, a pogosto spregledan dejavnik pri načrtovanju tiskanih vezij za visoke tokove je zagotavljanje enostavnosti izdelave. Če so proizvodne napake tako pogoste, da naprava le redko ustreza specifikacijam na papirju, ni pomembno, kako zanesljiva je tiskana vezja v teoriji.
Rešitev je, da se čim bolj izognete preveč zapletenim ali zapletenim zasnovam. Pri načrtovanju visokotokovnih tiskanih vezij upoštevajte svoj proizvodni proces, pri čemer upoštevajte, kako bi jih ti delovni procesi lahko ustvarili in kakšne težave bi lahko nastale. Lažje kot je izdelati izdelke brez napak, bolj zanesljivi bodo.
Ta korak zahteva tesno sodelovanje z deležniki v proizvodnji. Če proizvodnje ne izvajate sami, vključite svoje proizvodne partnerje v fazo načrtovanja, da pridobite njihove povratne informacije o morebitnih težavah s proizvodnostjo.

7. Uporabite tehnologijo v svojo korist
Nove tehnike načrtovanja in proizvodnje lahko olajšajo uravnoteženje teh vidikov. 3D-tiskanje uvaja večjo prilagodljivost oblikovanja za podporo bolj kompleksnim postavitvam tiskanih vezij brez proizvodnih napak. Njegova natančnost omogoča tudi, da bakrena ožičenje sledi krivulji in ne pravemu kotu, kar zmanjša njeno dolžino in zmanjša porabo energije.
Umetna inteligenca je še ena tehnologija, vredna raziskovanja. Orodja umetne inteligence za tiskana vezja lahko samodejno namestijo komponente ali označijo morebitne težave pri zasnovi, da preprečijo pojav napak v resničnem svetu. Podobne rešitve lahko simulirajo različna testna okolja za oceno delovanja tiskanih vezjev pred izdelavo fizičnih prototipov.

Zasnova tiskanih vezij z visokim tokom zahteva previdnost
Načrtovanje zanesljivega tiskanega vezja za visoke tokove ni enostavno, vendar ni nemogoče. Upoštevanje teh sedmih korakov vam bo pomagalo optimizirati postopek načrtovanja za ustvarjanje učinkovitejših visokozmogljivih naprav.
Z rastjo industrijskega interneta stvari bodo ti dejavniki postali še pomembnejši. Njihovo upoštevanje zdaj bo ključ do nadaljnjega uspeha v prihodnosti.