نکات طراحی pcb در توان های بالا

نکات طراحی PCB

نکات طراحی PCB


مقدمه نکات طراحی PCB :

همانطور که روند طراحی برد مدار چاپی یا PCB جذاب و چالش برانگیز است ، رعایت کلیه اقدامات احتیاطی لازم برای اطمینان از عملکرد صحیح مدار بخصوص هنگام کار با PCB های توان بالا ضروری است.از آنجا که اندازه دستگاه ها و مبدل های الکترونیکی به طور مداوم و تدریجی در حال کاهش است ، جنبه های طراحی مانند منبع تغذیه و مدیریت حرارتی باید مورد توجه قرار گیرند.

در این پست آموزشی در سایت ایران پاور برخی از نکاتی ارائه می شود که طراح می تواند برای طراحی PCB مناسب برای استفاده در کاربردهای با قدرت بالا دنبال کند.

 

عرض و ضخامت مسیر ها :

در حقیقت پایه ای ترین نکات طراحی pcb آن است که، هرچه مسیر تریس (trace) های شما طولانی تر باشد ، مقاومت آن و مقدار انرژی گرمایی که توسط آن تلف میشود بیشتر می شود. از آنجا که هدف به حداقل رساندن اتلاف انرژی و راندمان حداکثری است ، به منظور اطمینان از قابلیت اطمینان و دوام بالای مدار ، توصیه می شود مسیرهای جریان زیاد را تا حد ممکن کوتاه نگه دارید.

برای محاسبه صحیح عرض یک مسیر ، با دانستن حداکثر جریانی که می تواند از آن عبور کند ، طراحان می توانند به فرمول های موجود در استاندارد IPC-2221 اعتماد کنند یا از یک ماشین حساب آنلاین استفاده کنند.

یکی از پیشنهاد های ما سایت دیجی کی digikey برای محاسبات عرض مورد نیاز شما برای کشیدن مسیر مناسب.برای ورود به این محاسبه گر آنلاین اینجا کلیک کنید. این محاسبه گر به شما میزان تلفات بر روی مسیر مورد نظر و همچنین افت ولتاژ را نیز ارائه میکند که توضیح جزئی آن بدیهی به نظر میرسد و در حال حاضر از حوصله نویسنده این پست خارج است.

در مورد ضخامت مسیر، مقدار معمول یک PCB استاندارد برای لایه های داخلی حدود 17.5 میکرومترو برای لایه های خارجی و زمین مدار حدود 35 میکرومتر  است.مسیر PCB های با قدرت بالا معمولاً از مس ضخیم تری برای کاهش عرض مسیر برای همان جریان استفاده می کنند.

این موضوع باعث کاهش فضای موثر اشغال شده در PCB شما می شود.ضخامت ضخیم تر مس به اندازه ی 35 الی 105 میکرومتر به طور معمول برای جریان های بالاتر از 10 آمپر استفاده میشود. مس ضخیم تر در PCB به طور حتم با یک هزینه اضافی را سبب میشود ، اما می تواند به صرفه جویی در فضای مبدل کمک کند ، زیرا با ویسکوزیته بالاتر ، عرض مسیر مورد نیاز بسیار کمتر است.

 

طرح PCB :

طرح کلی باید از مراحل اولیه توسعه PCB در نظر گرفته شود. یک قاعده مهم که برای هر PCB با قدرت بالا اعمال می شود ، تعیین مسیری است که انتقال توان بیشتر در آن وجود دارد. طول و میزان جریان عبوری از مدار ، عامل مهمی در ارزیابی میزان گرمای تلفاتی و همچنین افت ولتاژ است.عوامل اصلی تأثیرگذار بر طرح صفحه مدار چاپی عبارتند از:

  • سطح توان عبوری از مدار
  • دمای محیط که در آن مدار کار می کند.(اصطلاحا ambient temperature)
  • مقدار جریان هوای عبوری از المان های مدار
  • مواد مورد استفاده برای ساخت PCB ؛
  • تراکم اجزایی که صفحه را پر می کنند.

حتی اگر با ماشین آلات مدرن PCB شما قرار است آماده شود ، در تغییر جهت ها توصیه می شود از زاویه قائم جدا خودداری کنید و به جای آن از زاویه 45 درجه یا خطوط منحنی استفاده کنید ، همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است.

رسم مناسب گوشه ها

رسم مناسب گوشه ها

قرارگیری قطعات :

نکته ای که مهم به نظر میرسد این است که برای طراحی مناسب توان بالا ، ابتدا موقعیت PCB اجزای پرقدرت ، مانند مبدل های ولتاژ یا ترانزیستورهای قدرت ، که توانایی تولید مقدار زیادی گرما را دارند و بیشترین تلفات مبدل مربوط به آنهاست، بر روی PCB ایجاد شود.اجزای با قدرت و توان بالا نباید در نزدیکی لبه های صفحه ی برد شما نصب شوند ، زیرا این امر باعث تجمع گرما و افزایش قابل توجه دما می شود.

اجزای دیجیتالی کاملاً یکپارچه ، مانند میکروکنترلرها ،انواع پردازنده ها و FPGA ها ، بهتر است که در مرکز PCB قرار بگیرند ، تا امکان انتشار یکنواخت گرما از طریق صفحه و در نتیجه کاهش دما فراهم شود. در هر صورت ، اجزای قدرت هرگز نباید در همان منطقه متمرکز شوند تا از ایجاد نقاط داغ جلوگیری شود. بلکه اصطلاحا ترتیب نوع خطی ارجح است.شکل زیر تجزیه و تحلیل حرارتی یک اینورتر سه سطحی کلمپ دیودی NPC  را نشان می دهد ، با مناطقی که بالاترین غلظت گرما با رنگ قرمز مشخص شده است.

تجزیه تحلیل حرارتی اینورتر سه سطحی کلمپ دیودی

تجزیه تحلیل حرارتی اینورتر سه سطحی کلمپ دیودی

نکات مهم برای ایمنی :

مانند هر مدار دیگری ، نگرانی اصلی مدارهای جریان بالا اطمینان از عملکرد ایمن آن است. چند مورد بالقوه وجود دارد که منحصر به فرد در بردهایی که بارهای پرقدرت را تغذیه میکنند و مهم ترین این موارد گرماست.

مهم نیست که شما PCB را چقدر خوب طراحی و چیدمان می کنید . توان بالاتر به معنی گرمای تولیدی بیشتر است. این مسئله باید همیشه هنگام ساخت مبدل در نظر گرفته شود و از منافذ / فن های خارجی استفاده شود.

کاری که در بسیاری از طراحی های صنعتی یافت میشود و من هم توصیه میکنم به شما روی همه طراحی هایی که  انجام می دهید که بیش از 8 آمپر دارند . از یک سنسور دما مخصوص روی PCB استفاده کنید. این یک میان افزار عالی و مبتنی بر جلوگیری از خرابی است. با توانایی نظارت بر درجه حرارت ، همیشه باید بتوانید در برابر هرگونه شرایط گرمازدگی واکنش نشان دهید. برای کاهش میزان گرمای تولید شده روی خود برد ، بهتر است قطعات با مقاومت کم انتخاب شوند.

خطر احتمالی بعدی مربوط به اتصال کوتاه است. از آنجایی که این برد برای راه اندازی دستگاه های با قدرت بالا طراحی شده است ، در صورت اتصال کوتاه شدن ، قادر به تأمین مقدار قابل توجهی جریان است. در نظر گرفتن این امکان در مرحله طراحی بسیار مهم است. ساده ترین راه برای مقابله با اتصال کوتاه داشتن یک فیوز در تمام خروجی هایی است که از برد خارج می شود و یک فیوز ورودی. فیوزها همیشه باید جریان کمتری نسبت به سیم های استفاده شده داشته باشند. آنها همچنین باید با مقداری کمتر / برابر مقدار فعلی که مسیرهای صفحه برای آن طراحی شده اند ، انتخاب شوند. همچنین استفاده از درایورهایی که در آنها جلوگیری از اتصال کوتاه در نظر گرفته شده است ایده خوبی است.

 

یک مثال :

به عنوان مثال ، من یک PCB با قدرت بالا و بر اساس میکروکنترلر Atmega328 که 8 بیتی است طراحی می کنم. این برد دو موتور DC را با یک درایور پل H کنترل می کند. از آنجایی که یک پل H می تواند تقریباً هر بار القایی یا مقاومتی را تحریک کند ، می تواند پانل های LED با جریان بالا را نیز هدایت کند. پیشنهاد می شود که از هر خروجی 15A بار بگیرید ، در مجموع 30A. من از نرم افزار KiCad نسخه 5  برای این مثال استفاده می کنم.

شماتیک مثال

شماتیک مثال

شماتیک در شکل بالا از دو درایور تمام پل مجتمع VNH5019A استفاده می کند(برای دانلود دیتاشیت آن اینجا کلیک کنید.). آنها می توانند جریان 30 آمپر را به طور مداوم درایو کنند. در این بردAtmega328 منطق درایورها را کنترل خواهد کرد و تنها یک منبع 12 ولت DC تغذیه برد را تأمین می کند. رگولاتور سوییچینگ نیز 5 ولت تغذیه برد بردAtmega328 را میسازد.لازم به ذکر است VNH5019A تمام منطق های کنترل را داراست، به جز منطقی که جهت چرخش موتور را فراهم می کند.

برخی از قطعات :

VNH5019A قادر است بسیاری از محافظت هارا خود ایجاد کند ، فقط به خازن های الکترولیتی 1000uF نیاز دارد. برای کسب اطلاعات بیشتر در مورد محافظت از مدارها در برابر بارهای القایی ، دیتاشیت های مشابه با این قطعه را نیز میتوانید مطالعه کنید. من از ترمینال های 74651195R 85A برای ورودی های اصلی تغذیه 12 ولت و از دو بلوک ترمینال  1792229 30 آمپری نیز برای خروجی موتور استفاده خواهم کرد.

یک فیوز ورودی 30A و یک فیوز 15A به هر یک از درایورهای VNH وجود دارد. فیوز های درایورها قبل از درایور است زیرا درایور می تواند 30A را تأمین کند ، قبل از اضافه بار بیش از حد درایور، فیوز باید بسوزد . با این کار اطمینان حاصل می شود که هنگام سوختن فیوز هر دو طرف قطع می شوند زیرا درایور دیگر تغذیه ندارد. گزینه دیگر این است که هر دو خروجی درایور پل H را فیوز کنید .

برنامه ریزی مناسب داشته باشید :

هنگام برنامه ریزی یک مدار قدرت بالا ، قبل از کشیدن اولین مسیر ، داشتن درک سطح بالایی از طرح ضروری است. گرچه این مورد در هر طراحی بردی مهم است ، اما به ویژه در این بردها نیز بسیار مهم است. گرچه ضروری نیست ،اما شخصا دوست دارم برد هایی از این قبیل را به قسمت های کم قدرت و قدرت بالا تقسیم کنم. این اطمینان می دهد که تمام مسیر های قدرت بالا تا حد ممکن به منبع تغذیه و خروجی نزدیک باشند.

چیزی که شخصا هنگام انجام PCB های با جریان بالا یاد گرفتم و اکنون در تمام طراحی هایم انجام می دهم ، انجام یک طرح اولیه با مسیرهای 8mil روی همه قطعات است، تا اطمینان حاصل شود که محل قرارگیری اجزا به بهترین روش ممکن بهینه شده است. 

شکل زیر محل قرارگیری اولیه همه اجزا و مسیرهای 8mil  را برای تعیین مسیرهای نهایی نشان می دهد. jتوان از ترمینال پایین وارد می شود ، به فیوز ورودی می رود ، به درایورهای H-Bridge یا ساختار تمام پل منشعب می شود و جریان کم تغذیه از مرکز برد به تنظیم کننده 5 ولت می رود.برای درایورهای پل H ، توان از طریق خازن های بزرگ الکترولیتی موجود در لایه پایین به آنها منتقل می شود و لایه بالایی و پد را با via به یکدیگر وصل میشوند.

 

ادامه دارد….

بدون دیدگاه

دیدگاهتان را بنویسید

    Refund Reason