Проектування будь-якої друкованої плати є складним завданням, особливо коли пристрої стають все меншими й меншими. Проектування друкованих плат для сильного струму є ще складнішим, оскільки воно має всі ті ж перешкоди та вимагає врахування додаткового набору унікальних факторів.
Експерти прогнозують, що попит на потужні пристрої, ймовірно, зросте і досягне двозначних річних темпів зростання для промислового Інтернету речей до 2030 року. Ось сім кроків для оптимізації проектування друкованих плат у сильнострумовій електроніці з урахуванням цієї тенденції.

1. Забезпечте достатній розмір кабелю
Розмір лінії є одним з найважливіших міркувань при проектуванні друкованих плат для сильного струму. Мідні дроти, як правило, мініатюризуються для більш компактних конструкцій, але це не працює при вищих струмах. Невеликий поперечний переріз може призвести до втрати потужності через розсіювання тепла, тому потрібен доріжка відповідного розміру.
Ви можете змінити площу поперечного перерізу дроту, регулюючи два фактори: ширину дроту та товщину міді. Балансування цих двох є ключем до зменшення споживання енергії та підтримки ідеального розміру друкованої плати.
Скористайтеся калькулятором ширини ліній друкованої плати, щоб дізнатися, яка ширина та товщина підтримують тип струму, необхідний для вашого пристрою. Використовуючи ці інструменти, будьте обережні та проектуйте розмір проводки таким чином, щоб він підтримував вищі струми, ніж вам потрібно.

2. Переосмисліть розміщення компонентів
Розташування компонентів є ще одним ключовим фактором при проектуванні друкованих плат для сильних струмів. MOSFET та подібні компоненти генерують багато тепла, тому важливо максимально ізолювати їх від інших гарячих або чутливих до температури місць. Це не завжди легко зробити, коли маємо справу зі зменшеними форм-факторами.
Підсилювачі та перетворювачі слід розміщувати на відповідній відстані від MOSFET та інших нагрівальних елементів. Хоча може виникнути спокуса зберегти зону високої потужності на краю, це не забезпечує рівномірного розподілу температури. Натомість їх розміщують по прямій лінії по всій платі, щоб зберігати енергію, що робить нагрівання більш рівномірним.
Звернувшись спочатку до найбільш впливових зон, легше визначити ідеальні компоненти. Спочатку визначте ідеальне місце для високотемпературних компонентів. Як тільки ви дізнаєтеся, де їх розмістити, ви можете використовувати решту, щоб заповнити прогалини.

3. Оптимізація управління тепловіддачею
Аналогічно, друковані плати з високим струмом також вимагають ретельного терморегулювання. Для більшості застосувань це означає підтримку внутрішньої температури нижче 130 градусів Цельсія для досягнення температури склування ламінатів FR4. Оптимізація розміщення компонентів допоможе, але ваші кроки з мінімізації тепла повинні на цьому зупинитися.
Природне конвекційне охолодження може бути достатнім для менших плат споживчої електроніки, але може бути недостатнім для застосувань з більшою потужністю. Можуть знадобитися механічні радіатори. Також допомагає активне охолодження, таке як вентилятори або системи рідинного охолодження навколо MOSFET. Однак деякі конструкції пристроїв можуть бути недостатньо великими для розміщення традиційних радіаторів або активного охолодження.
Для менших, але високопродуктивних друкованих плат корисною альтернативою є розсіювання тепла через отвори. Високопровідний метал із залитими отворами відведе тепло від MOSFET або подібних компонентів, перш ніж воно досягне більш чутливих ділянок.

4. Використовуйте правильні матеріали
Вибір матеріалу буде дуже корисним для оптимізації терморегуляції та забезпечення того, щоб компоненти могли витримувати вищі струми. Це стосується компонентів та підкладок друкованих плат.
Хоча FR4 є найпоширенішою підкладкою, вона не завжди є найкращим вибором для сильнострумових конструкцій друкованих плат. Друковані плати з металевим осердям можуть бути ідеальними, оскільки вони поєднують ізоляцію та економічну ефективність підкладок, таких як FR4, з міцністю та температурним зміщенням високопровідних металів. Крім того, деякі виробники виготовляють спеціальні термостійкі ламінати, які ви можете розглянути.
Знову ж таки, слід використовувати лише компоненти з високими значеннями термостійкості. Іноді це означає вибір матеріалів, які є більш термостійкими, тоді як в інших випадках це означає використання товстіших компонентів з того ж матеріалу. Найкращий варіант залежить від розміру вашої друкованої плати, бюджету та доступних постачальників.

5. Покращення процесу контролю якості
Надійність друкованих плат високого струму також залежить від пошуку помилок у виробництві. Якщо виробничий процес не може знайти та усунути дефекти, які зменшують його переваги, то чотири вищезазначені варіанти проектування не дадуть значного покращення. Також важливі більш надійні перевірки якості для ітерацій прототипів.
Використання правильних інструментів для оцінки якості друкованої плати є одним з найважливіших міркувань у цій галузі. Цифрові оптичні компаратори як шаблони та покриття перевершують традиційні методи, оскільки вони з часом розтягуються та деформуються, що знижує їхню надійність. Також слід розглянути інструменти, які легко автоматизувати, щоб мінімізувати ризик людської помилки.
Незалежно від конкретних методів та технік, які ви використовуєте, відстеження всіх дефектів є критично важливим. З часом ці дані можуть виявити тенденції виникнення проблем, забезпечуючи більш надійні зміни в конструкції друкованих плат.

6. Конструкція технологічності
Подібним, але часто недооціненим фактором у проектуванні друкованих плат для сильних струмів є забезпечення простоти виготовлення. Якщо виробничі помилки настільки поширені, що пристрій рідко відповідає специфікаціям на папері, не має значення, наскільки надійна друкована плата в теорії.
Рішення полягає в тому, щоб максимально уникати надто складних або хитромудрих конструкцій. Під час проектування друкованих плат для високого струму пам’ятайте про свій виробничий процес, враховуючи, як ці робочі процеси можуть їх створювати та які проблеми можуть виникнути. Чим простіше ви можете створювати безпомилкові вироби, тим надійнішими вони будуть.
Цей крок вимагає тісної співпраці з зацікавленими сторонами у виробництві. Якщо ви не займаєтеся виробництвом власними силами, залучіть своїх виробничих партнерів до етапу проектування, щоб отримати їхню думку щодо потенційних проблем технологічності.

7. Використовуйте технології на свою користь
Нові методи планування та виробництва можуть спростити врахування цих факторів. 3D-друк забезпечує більшу гнучкість проектування для підтримки складніших схем друкованих плат без виробничих помилок. Його точність також дозволяє забезпечити, щоб мідний дротик відповідав кривій, а не прямим кутом, що зменшує його довжину та мінімізує споживання енергії.
Штучний інтелект – ще одна технологія, варта дослідження. Інструменти штучного інтелекту для друкованих плат можуть автоматично розміщувати компоненти або виявляти потенційні проблеми з проектуванням, щоб запобігти появі помилок у реальному світі. Подібні рішення можуть імітувати різні тестові середовища для оцінки продуктивності друкованих плат перед створенням фізичних прототипів.

Конструкція друкованої плати з високим струмом вимагає обережності
Розробка надійної друкованої плати для високого струму непроста, але й не неможлива. Дотримання цих семи кроків допоможе вам оптимізувати процес проектування для створення ефективніших пристроїв високої потужності.
Зі зростанням промислового Інтернету речей ці міркування ставатимуть ще важливішими. Їх врахування зараз стане ключем до подальшого успіху в майбутньому.