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Conceptions de circuits imprimés pour applications haute puissance – exigences et considérations

Les appareils électroniques deviennent de plus en plus complexes au fil des années. Cela signifie que les circuits imprimés (PCB) doivent être conçus avec soin et précision pour garantir la qualité du produit final. La chose la plus importante à retenir est que les circuits haute puissance ne sont pas simplement un composant unique mais un système. Le système doit être conçu en tenant compte de tous ses composants, y compris le circuit imprimé, les appareils électroniques, la gestion thermique et l’alimentation électrique.

Electrical vehicle charging | NCAB Group
Chargeur de véhicules électriques – certaines des applications qui nécessitent une conception de circuits imprimés à haute puissance.

Certaines des applications et des produits finaux nécessitant une conception haute puissance sont :

  • Les alimentations industrielles
  • Les servomoteurs
  • Les chargeurs de véhicules électriques

Quelques exemples de conceptions de circuits imprimés haute puissance :

  • Un système de charge utilisé pour les batteries de véhicule électrique
  • Un projecteur TV nécessitant au moins 300 watts d’électricité
  • Systèmes de gestion de la chaleur pour les engins spatiaux
  • Refroidisseurs thermoélectriques nécessitant 5 kW de puissance

Remarques pour la conception haute puissance

Les applications à haute puissance sont celles qui nécessitent beaucoup d’énergie pour fonctionner. Les circuits à haute puissance sont définis comme ayant une tension ou un courant d’un ordre de grandeur supérieur à celui utilisé dans un circuit à faible puissance. Les concepteurs doivent s’assurer que le circuit fonctionne à la tension et au courant appropriés, et dispose de suffisamment de dispositifs de refroidissement et de sécurité. Les aspects suivants doivent être pris en compte dans la conception à haute puissance.

La gestion thermique

L’électronique haute puissance a un flux de chaleur plus important que l’électronique basse consommation, il est donc important de prendre en compte la gestion thermique dans les conceptions haute puissance. Cette chaleur doit être gérée pour que le circuit imprimé ne surchauffe pas et ne tombe pas en panne. La gestion thermique peut être réalisée à l’aide d’une combinaison de méthodes de refroidissement passives et actives. Le refroidissement passif comprend l’utilisation de matériaux à faible conductivité thermique, tels que les plastiques ou les céramiques, qui sont utilisés à des fins d’isolation. Le refroidissement actif comprend l’utilisation de ventilateurs ou de refroidisseurs de liquide pour dissiper la chaleur du circuit imprimé.

Les matières

La matière couramment utilisée dans les PCB est le FR4. Avec des applications à haute puissance, les propriétés du matériau deviennent plus importantes en raison de la contrainte thermique accrue. Les propriétés des matériaux les plus couramment associées à cette application sont un Tg élevé ainsi qu’un coefficient de dilatation thermique faible (CTE, valeur de dilatation lorsqu’il est chauffé) et, dans certains cas, un indice de suivi comparatif (CTI, valeur de la capacité à résister au flux de courant indésirable entre les pistes).

Le vernis épargne

Le vernis épargne est une couche protectrice qui est appliquée à la surface du PCB. Il protège le cuivre de la corrosion et de la contamination. La technique du vernis épargne peut être classée en deux catégories : dépôt humide et film sec. Les vernis épargnes humides sont appliqués par sérigraphie ou pulvérisation d’un vernis épargne liquide sur la surface de la carte, tandis que les vernis épargnes secs sont appliqués sous forme de feuille de polymère. La conception de circuits imprimés haute puissance nécessite une attention particulière pour la technique du vernis épargne, car ces cartes sont plus sensibles à la corrosion et à la contamination que les cartes à faible puissance. Alors que le film sec offre un revêtement plus cohérent, il est devenu moins courant dans la fabrication traditionnelle. 

Le layout

Le layout fait référence à la façon dont les composants sont disposés sur le PCB. Le layout du circuit imprimé doit être conçu de manière à pouvoir gérer les composants haute puissance et réduire la génération de bruit. Les règles ci-dessous doivent être suivies lors de la conception d’une carte haute puissance :

  • Les « boucles » de masse doivent être minimisées autant que possible.
  • La tension ne doit pas dépasser la tension nominale maximale de tout composant de la carte.
  • La génération de bruit doit être minimisée en utilisant des pistes à faible inductance et des vias à faible capacité.
  • La carte doit être conçue pour supporter la dissipation thermique.
  • La carte doit être conçue pour réduire les risques de dommages par décharge électrostatique (ESD).
  • Toutes les pistes non critiques doivent être protégées par un plan de masse.

Le placement des composants

Le placement de composants haute puissance est une technique de conception utilisée pour réduire la résistance thermique du PCB. Cette technique est utilisée lorsqu’il y a des composants de haute puissance sur le circuit imprimé. Ceci peut être fait de deux façons :

  • La première consiste à placer les composants les uns à côté des autres et à utiliser une petite zone de cuivre pour la dissipation de la chaleur.
  • La deuxième méthode consiste à éloigner les composants les uns des autres et à utiliser une grande surface en cuivre pour la dissipation de la chaleur.

La largeur et l’épaisseur des pistes

L’épaisseur des pistes de cuivre est déterminée par la puissance qui leur sera appliquée. Plus la puissance est élevée, plus la piste doit être épaisse. Les pistes internes sont plus étroites que les pistes externes car elles ne sont pas exposées aux interférences extérieures. Les plans de masse sont plus larges que les pistes internes ou externes car ils doivent dissiper plus de chaleur et ont une plus grande surface à des fins de mise à la terre.

Quels conseils de conception recommandons-nous ? 

La première chose à considérer est la dissipation thermique. Plus la puissance est élevée, plus la chaleur générée devra être dissipée de la carte. Cela signifie que vous devrez utiliser de plus grandes zones de cuivre, plus de vias et des couches plus épaisses de matériau isolant pour empêcher votre carte de surchauffer. Il est également possible d’intégrer la technologie des copper coin dans la conception. Vous pouvez en apprendre plus sur cette technologie émergente ici.

Comment maintenez-vous la sécurité et la fiabilité dans les paramètres de conception ? 

Voici quelques précautions à prendre en compte lors de la conception d’un circuit imprimé haute puissance :

  • La conception doit être réalisée par un ingénieur expérimenté qui connaît les effets d’une puissance élevée sur la conception du PCB. En cas de doute, il peut consulter son fournisseur de circuits imprimés.
  • La conception doit prendre en compte les effets de la chaleur sur les composants.
  • La conception doit prendre en compte les effets des interférences électromagnétiques (EMI) sur d’autres appareils à proximité de l’appareil en cours de conception.
  • La conception doit prendre en compte tous les dangers potentiels pouvant survenir en cas de surtension ou de surintensité, tels que le feu, la fumée ou l’explosion.
  • La conception doit être conforme aux normes RoHS et IPC en matière de sécurité et de fiabilité, ainsi qu’aux certifications CE, CCC et UL.