Projekty PCB w aplikacjach wysokiej mocy – wymagania i rozważania

© NCAB

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

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, tak aby płytka drukowana nie przegrzała się i nie uległa awarii. Zarządzanie ciepłem można zrealizować 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 opartych na cieczach do rozpraszania ciepła z płytki drukowanej.

Materiały

Materiałem powszechnie stosowanym w PCB jest FR4, jednak w zastosowaniach o wysokiej mocy, ze względu na zwiększone naprężenia termiczne, właściwości materiału stają się znacznie ważniejsze niż w przypadku mniej wymagających aplikacji. Właściwości materiału pożadane w przydku aplikacji wysokich mocy to wysokie temperatury T_g oraz T_d , stabilny współczynnik rozszerzalności cieplnej (CTE, wartość rozszerzalności po podgrzaniu) oraz, w niektórych przypadkach, wysoki wskaźnik CTI (comparative tracking index, wartość odporności na niepożądany przepływ między ścieżkami).

Maska lutownicza

Maska lutownicza to warstwa ochronna nakładana na powierzchnię PCB, która 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 szczególnie uważnego 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

Podczas projektowania płytki drukowanej o wysokiej mocy należy przestrzegać pewnych zasad. Te zasady to:

• Pętle uziemienia powinny być maksymalnie zminimalizowane.
• Napięcie układu nie powinno przekraczać maksymalnego napięcia żadnego elementu na płycie.
• Generowanie szumów powinno być zminimalizowane poprzez zastosowanie ścieżek o niskiej indukcyjności i przelotek o niskiej pojemności.
• Płytka powinna być zaprojektowana z uwzględnieniem potrzeb zarządzania termicznego.
• Płytka powinna być zaprojektowana tak, aby zmniejszyć ryzyko uszkodzenia poprzez wyładowanie elektrostatyczne (ESD).

Rozmieszczenie komponentów

Rozmieszczenie komponentów o wysokiej mocy jest techniką projektową, która służy zmniejszeniu rezystancji termicznej płytki drukowanej. Ta technika jest stosowana, gdy na płytce drukowanej znajdują się komponenty o wysokiej mocy i jest realizowana 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, którą będa musiały przenosić: im wyższa moc, tym grubsza musi być ścieżka. Szerokość ścieżki zależy więc od jej funkcji. Ścieżki wewnętrzne są węższe niż zewnętrzne, ponieważ są mniej narażone na zakłócenia z zewnątrz. Z kolei 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 układu. Oznacza to, że będzie trzeba użyć większych powierzchni miedzi, więcej przelotek i grubszych warstw materiału izolacyjnego, aby zapobiec przegrzaniu płyty. Istnieje również możliwość włączenia do projektu technologii miedzianych inserów, tzw. copper coins (dosł: monet miedzianych). Możesz dowiedzieć się więcej o tej technologii tutaj.

Jak zachować bezpieczeństwo i niezawodność w procesie projektowania?

Poniżej przedstawiono niektóre procedury bezpieczeństwa, 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, zadymienie lub wybuch.
• Projekt powinien być zgodny z RoHS oraz normami IPC, dotyczącymi bezpieczeństwa i niezawodności, a także certyfikaty CE, CCC i UL.

Artykuł opublikowano dzięki uprzejmości firmy NCAB