Z biegiem lat urządzenia elektroniczne stają się coraz bardziej złożone. Oznacza to, że płytki drukowane (PCB) muszą być projektowane z precyzją i starannością, aby zapewnić sukces produktu końcowego. Najważniejszą rzeczą do zapamiętania jest to, że obwody wysokiej mocy to nie tylko pojedynczy element, ale system. System należy zaprojektować z uwzględnieniem wszystkich jego komponentów, w tym płytki drukowanej, urządzeń elektronicznych, zarządzania termicznego i zasilania.
Niektóre aplikacje i produkty końcowe, które wymagają projektowania obwodów o wysokiej mocy, to:
- Zasilanie przemysłowe
- Serwosilniki
- Ładowanie EV
Poniżej przedstawiono kilka przykładów projektowania obwodów o dużej mocy:
- System ładowania używany do akumulatorów EV
- Telewizor projekcyjny, który potrzebuje co najmniej 300 watów energii elektrycznej
- Systemy zarządzania ciepłem dla statków kosmicznych
- Ekrany projekcyjne o jasności ponad 3000 lumenów
- Lodówki termoelektryczne wymagające 5 kW mocy
Aspekty dotyczące dużej mocy podczas projektowania
Aplikacje o wysokiej mocy to takie, które wymagają bardzo dużo mocy do działania. Dzieje się tak zwykle dlatego, że są one używane w urządzeniach, które muszą być w stanie działać przez długi czas bez podłączania.
Obwody wysokiej mocy definiuje się jako mające napięcie lub prąd o rząd wielkości wyższe niż w obwodzie małej mocy. Projektanci muszą upewnić się, że obwód działa przy odpowiednim napięciu i natężeniu oraz ma wystarczające zabezpieczenia i chłodzenie. Poniżej przedstawiono aspekty, które należy wziąć pod uwagę przy projektowaniu wysokiej mocy.
Zarządzanie termiczne
Elektronika wysokiej mocy ma większy strumień cieplny niż elektronika małej mocy, dlatego ważne jest rozważenie zarządzania ciepłem w projektach o wysokiej mocy. To ciepło musi być zarządzane, aby płytka drukowana nie przegrzała się i nie uległa awarii. Zarządzanie ciepłem można osiągnąć za pomocą kombinacji pasywnych i aktywnych metod chłodzenia. Chłodzenie pasywne obejmuje stosowanie materiałów o niskiej przewodności cieplnej, takich jak tworzywa sztuczne czy ceramika, które są wykorzystywane do celów izolacyjnych. Chłodzenie aktywne obejmuje wykorzystanie wentylatorów lub chłodnic cieczy do rozpraszania ciepła z płytki drukowanej.
Materiały
Materiałem powszechnie stosowanym w PCB jest FR4, w zastosowaniach o wysokiej mocy, właściwości materiału stają się ważniejsze niż mniej wymagające zastosowania ze względu na zwiększone naprężenia termiczne. Właściwości materiału najczęściej związane z tym zastosowaniem to wysoka Tg, a także wysoka Td Stabilny współczynnik rozszerzalności cieplnej (CTE, wartość rozszerzalności po podgrzaniu) oraz w niektórych przypadkach wysoki porównawczy wskaźnik śledzenia (CTI, wartość odporności na niepożądany przepływ między ścieżkami).
Maska lutownicza
Maska lutownicza to warstwa ochronna nakładana na powierzchnię PCB. Chroni miedź przed korozją i zanieczyszczeniem. Technologię nakładania soldermaski można podzielić na dwa typy: mokrą i suchą. Maski do lutowania na mokro nakłada się przez zanurzenie lub natryskiwanie maski w płynie na powierzchnię płyty, natomiast maski na sucho nakłada się w postaci arkusza polimeru na powierzchnię płyty. Konstrukcja PCB o wysokiej mocy wymaga specjalnego rozważenia technologii soldermaski, ponieważ płyty o wysokiej mocy są bardziej podatne na korozję i zanieczyszczenia niż płyty o niskim poziomie mocy. Sucha powłoka zapewnia bardziej spójne pokrycie lecz stała się mniej popularna w powszechnym wytwarzaniu.
Układ
Większość obwodów drukowanych o wysokiej mocy wykorzystuje pewien rodzaj projektu, który należy do jednej z dwóch kategorii: układ lub projekt referencyjny. Układ odnosi się do sposobu rozmieszczenia komponentów na płytce drukowanej, podczas gdy projekty referencyjne są zwykle wykonywane z myślą o określonych układach. Układ płytki PCB musi być zaprojektowany w taki sposób, aby mógł obsługiwać komponenty o wysokiej mocy, a także redukować generowanie hałasu. Podczas projektowania płytki drukowanej o wysokiej mocy należy przestrzegać pewnych zasad. Te zasady to:
- Pętle uziemienia powinny być maksymalnie zminimalizowane.
- Napięcie nie powinno przekraczać maksymalnego napięcia żadnego elementu na płycie.
- Generowanie hałasu powinno być zminimalizowane poprzez zastosowanie ścieżek o niskiej indukcyjności i przelotek o niskiej pojemności.
- Płyta powinna być zaprojektowana tak, aby wspomagać odprowadzanie ciepła.
- Płytka powinna być zaprojektowana tak, aby zmniejszyć ryzyko uszkodzenia wyładowania elektrostatycznego (ESD).
- Wszelkie ślady, które nie są krytyczne, muszą być zabezpieczone płaszczyzną uziemienia.
Rozmieszczenie komponentów
Rozmieszczenie komponentów o wysokiej mocy jest techniką projektową, która służy do zmniejszania rezystancji termicznej płytki drukowanej. Ta technika jest stosowana, gdy na płytce drukowanej znajdują się komponenty o wysokiej mocy. Można to zrobić na dwa sposoby:
- Pierwszym sposobem jest umieszczenie komponentów blisko siebie i wykorzystanie małego obszaru miedzi do rozpraszania ciepła.
- Drugim sposobem jest umieszczenie komponentów daleko od siebie i wykorzystanie dużej powierzchni miedzi do rozpraszania ciepła.
Szerokość i grubość ścieżki
Grubość ścieżek miedzi zależy od mocy, która zostanie do nich przyłożona. Im wyższa moc, tym grubsza musi być ścieżka. Szerokość ścieżki zależy od jego funkcji. Ścieżki wewnętrzne są węższe niż zewnętrzne, ponieważ nie są narażone na ingerencję z zewnątrz. Płaszczyzny uziemienia są szersze niż ścieżki wewnętrzne lub zewnętrzne, ponieważ muszą rozpraszać więcej ciepła i mają większą powierzchnię do celów uziemienia.
Jakie porady projektowe polecamy?
Pierwszą rzeczą do rozważenia jest rozpraszanie ciepła. Im wyższa moc, tym więcej ciepła zostanie wytworzone i tym więcej ciepła będzie trzeba odprowadzić z płyty. Oznacza to, że będziesz musiał użyć większych obszarów miedzi, więcej przelotek i grubszych warstw materiału izolacyjnego, aby zapobiec przegrzaniu płyty. Istnieje również możliwość włączenia do projektu technologii monet miedzianych. Możesz dowiedzieć się więcej o tym pojawiającym się technologia tutaj .
Jak zachować bezpieczeństwo i niezawodność w ramach parametrów projektowych?
Poniżej przedstawiono niektóre środki ostrożności, które należy wziąć pod uwagę podczas projektowania płytki drukowanej o wysokiej mocy:
- Projekt powinien być wykonany przez doświadczonego inżyniera, który zna wpływ wysokiej mocy na projekt PCB, jednocześnie konsultując się z dostawcą PCB.
- Projekt powinien uwzględniać wpływ ciepła na elementy i układ.
- Projekt powinien uwzględniać wpływ zakłóceń elektromagnetycznych (EMI) na inne urządzenia znajdujące się w pobliżu projektowanego urządzenia.
- Projekt powinien uwzględniać wszelkie potencjalne zagrożenia, które mogą powstać w wyniku warunków przepięcia lub przetężenia, takich jak pożar, dym lub wybuch.
- Projekt powinien być zgodny z RoHS oraz Normy IPC dotyczące bezpieczeństwa i niezawodności oraz certyfikaty CE, CCC i UL.
PCB design tools
For more advice about PCB design or applications of PCBs, we
have different PCB tools that can be downloaded for free.