Kaip išlaikyti plokštę kompaktišką neperkaitinant maitinimo takelių?

Kai projektuojate PCB, atliekate subtilų balansavimo veiksmą, siekdami užtikrinti, kad ji būtų pakankamai maža ir tilptų į gaminį, tačiau išliktų pakankamai vėsi, kad iš tikrųjų veiktų. Ir šį balansą rasti yra sunkiau maitinimo takelių (power traces) atveju.

Jie turi būti pakankamai stori, kad atlaikytų srovę ir netaptų mažyčiais kaitinimo elementais, tačiau stori takeliai eikvoja brangią plokštės vietą. Bet ką daryti, kad viskas būtų maža ir jūsų dizainas neišsilydytų? Panagrinėkime keletą praktinių, realaus gyvenimo strategijų.

Supratimas, kodėl kaista maitinimo takeliai

Būtų gerai suprasti, kas vyksta, prieš pradedant ieškoti sprendimų. Varža sukelia šilumą, kai srovė teka per varinį takelį. Tai fundamentali fizika, nors pasekmės yra svarbios.

Pernelyg mažas takelis, kuriuo teka srovė, perkais, o tai gali sugadinti komponentus, atsluoksniuoti plokštę arba sukelti kitų patikimumo problemų, kurios gali pasireikšti tik po kelių mėnesių, kai jūsų gaminys jau bus lentynose. Tai dar blogiau projektuojant kompaktišką objektą, nes yra mažiau ploto, kuriame šiluma gali išsisklaidyti. Elementai yra suspausti su mažesniais tarpais, yra mažiau oro cirkuliacijos ir šiluma neturi kur dingti.

Teisingas takelio pločio parinkimas nuo pat pradžių

Maitinimo takelių valdymo pagrindas yra teisingas PCB takelio pločio apskaičiavimas nuo pat pirmos dienos. Tam yra žinomos formulės ir standartai: IPC-2221 yra standartinė nuoroda, susijusi su takelio pločiu, vario storiu, temperatūros kilimu ir srovės pralaidumu.

Esmė ta, kad tokiuose standartiniuose skaičiavimuose daromos tam tikros prielaidos, kurios gali neatitikti jūsų taikymo atvejo. Juose dažniausiai atsižvelgiama į:

• Tam tikrą aplinkos temperatūrą.
• Tam tikrus oro srauto kiekius.
• Takelius atvirame ore, o ne daugiasluoksnėje plokštėje.

Sąlygos realiame gyvenime nėra tokios pačios, todėl būtų protinga palikti šiek tiek atsargos. Nemokama impedanso skaičiuoklė čia gali būti neįtikėtinai naudinga, ypač kai dirbate su didelės spartos signalais šalia maitinimo paskirstymo. Tokie įrankiai leidžia greitai nubraižyti įvairius scenarijus, nereikalaujant atlikti varginančių, rankinių skaičiavimų kaskart pakeitus išdėstymą.

Naudokite storesnį varį, kai vietos yra mažai

Didesnio vario svorio specifikavimas yra viena geriausių gudrybių kompaktiškuose dizainuose. Varis, naudojamas standartinėse plokštėse, yra 1 oz/ft², nors galite padidinti iki 2, 3 ar net daugiau. Dvigubas vario svoris leidžia praleisti tą pačią srovę per pusę siauresnį takelį, o tai gali iš esmės pakeisti situaciją, kai kovojate dėl kiekvieno milimetro.

Kompromisas? Varis yra brangesnis ir gali apsunkinti smulkesnių elementų ėsdinimą. Paprastai tai verta, kai norima paskirstyti maitinimą mažose plokštėse. Aš taikiau šį metodą dizainuose, kur tiesiog negalėjome sau leisti plokštės didinimo, o nedidelis kainos priedas buvo žymiai mažesnis nei viso gaminio korpuso perprojektavimas.

Išmaniai išnaudokite kelis sluoksnius

Jei jau naudojate daugiasluoksnę plokštę, kaip daroma daugelyje kompaktiškų dizainų, galite paskirstyti srovę per daugelį sluoksnių. Vietoj vieno takelio viršutiniame sluoksnyje, galėtumėte turėti du siauresnius takelius kituose sluoksniuose su perėjimo angomis (vias) tarp jų. Tai išsklaidys šilumos gamybą ir suteiks papildomą plotą atvėsimui.

Jūsų draugas čia yra šiluminės perėjimo angos (thermal vias). Perėjimo angų išdėstymas po maitinimo takeliais ar maitinimo komponentais suformuoja šiluminį kelią į vidinius vario takelius arba kitą plokštės pusę. Tiesiog įsivaizduokite jas kaip šiluminius spindulius, nukreipiančius karštį ten, kur jums reikia.

Optimizuokite vario užpildymo ir liejimo metodus

Nepalikite tuščių vietų savo plokštėje. Vario liejiniai (pours) ir poligonų užpildai (polygon fills) gali būti tiek elektrinė jungtis, tiek šilumos valdymas. Ištisinis įžeminimo liejinys (solid ground pour) pasižymi didele šilumine mase, kuri efektyviai tolygiai paskirsto šilumą plokštėje.

Maitinimo tinklų (power nets) atveju, poligoniniai liejiniai, o ne įprasti takeliai, suteikia didžiausią vario kiekį turimoje erdvėje. Moderni PCB projektavimo programinė įranga paverčia tai paprastu dalyku – jūs apibrėžiate savo tinklą, nustatote atstumų taisykles ir leidžiate įrankiui automatiškai užpildyti turimą plotą. Viskas, ką turite padaryti, tai užtikrinti, kad nesukeltumėte šiluminės problemos kitur, izoliuodami šilumos išsklaidymo kelius.

Komponentų išdėstymas yra svarbesnis nei manote

Pats genialiausias takelių dizainas neapsaugos jūsų, jei komponentai nebus gerai išdėstyti.

• Paskirstymas: Kiek įmanoma, karštos dalys turi būti paskirstytos.
• Efektyvus išsklaidymas: Jos turėtų būti ten, kur šiluma gali būti efektyviai išsklaidyta.
• Jautrumas: Jos turėtų būti laikomos atokiau nuo temperatūrai jautrių komponentų, tokių kaip tikslios atskaitos (fine references) ar tam tikri kondensatoriai.

Mažo dydžio plokštėse turite mažai vietos bet kokiems tarpams, todėl svarbi vertikali orientacija. Šiluminę apkrovą galima paskirstyti dedant maitinimo komponentus kitoje plokštės pusėje. Šiluma natūraliai kils į viršų, todėl tai, kaip plokštė bus įstatyta galutiniame surinkime, taip pat turės įtakos aušinimui.

Apsvarstykite aktyvaus ir pasyvaus aušinimo parinktis

Kitais atvejais, nepaisant to, kaip gerai viską išdėstėte, fizika nugali ir jums prireikia pagalbos.

• Aušintuvai/Pagalvėlės. Mažas aušintuvas (heatsink), šiluminė pagalvėlė ar net nukreiptas oro srautas iš jau įdiegtos gaminio aušinimo sistemos gali daryti milžinišką skirtumą.
• Korpuso integracija. Šiluminės sąsajos medžiagos tarp plokštės ir korpuso taip pat turi gebėjimą nuvesti šilumą. Kai jūsų korpusas metalinis, jis gali būti įtrauktas į jūsų šiluminį sprendimą.

Esu projektavęs daiktus, kur kruopščiai pozicionuotas aušintuvas (5 mm) išsprendė dizaino problemą, kuri kitu atveju būtų privertusi visiškai perprojektuoti plokštę.

Testuokite anksti ir testuokite dažnai

Termovizines kameras galima apibūdinti kaip geriausią dalyką, kurį galima nupirkti prototipų kūrimui. Galite skaičiuoti ir modeliuoti kiek tik norite, tačiau nėra pakaitalo prototipo paleidimui ir karštųjų taškų suradimui. Įtraukite srovės matavimo testavimo taškus – labai verta žinoti tikrąjį srovės kiekį, kurį suvartoja įvairios jūsų plokštės dalys, kad patvirtintumėte savo prielaidas.

Apibendrinant

Kompaktiškos plokštės maitinimo takelių apsaugojimas nuo perkaitimo nėra vienas stebuklingas triukas; tai protingų pasirinkimų derinys viso projektavimo metu.

1. Pradėkite nuo tinkamo dydžio takelių.
2. Pagalvokite apie storesnį varį, kur tai tinka.
3. Gerai išnaudokite savo sluoksnių struktūrą (layer stack).
4. Įtraukite šilumos valdymo galimybes, kur būtina.

Šilumos valdymo planavimas išgelbės jus nuo milijonų galvos skausmų vėliau, nes tai žingsnis, kuris turėtų būti pradėtas anksti, o ne paliktas pabaigai.