Оптимизация сильноточной печатной платы для управления двигателем

Если вы хотите контролировать токи для электроприводов и источников питания с помощью интеллектуальной электроники, вы должны научиться балансировать между мощностью и микроэлектроникой. В этой статье описаны различные варианты уникальной и разнообразной технологии сильноточных печатных плат, которые подходят для токов до 1,000 А. В основе этой технологии лежат встроенные медные шины, которые выступают за поверхность и контактируют с SMD и другими компонентами питания..

Чтобы закрыть зазор между сильноточными проводниками с одной стороны и электронными компонентами с другой., количество кабелей, монтажные материалы, и переходники обычно требуются, особенно если предусмотрены SMD. Цель состоит в том, чтобы интегрировать шины в печатные платы, чтобы сэкономить объем строительства и затраты на сборку систем, а также объединить приводные и питающие токи, а также электронное управление..

Существует ряд технологий печатных плат, предназначенных для силовых приложений.. К ним относятся многослойные с увеличенной толщиной слоя меди до 400 микрометры, которые можно выровнять на более высоких слоях. Кроме того, Предлагается несколько методов, основанных на избирательном увеличении поперечного сечения меди., например, техника айсберга, техника прокладки проволоки и частичная заделка толстых медных пластин.

Приводная техника: Оптимизация сильноточной печатной платы для управления двигателем

В этой статье сравниваются три технологии печатных плат для сильноточных плат.: Толстая пленка, Айсберг, и HSMtec. Топология печатной платы и конструкция печатной платы влияют на допустимую нагрузку по току и тепловыделение силовых полупроводников..

Доступны подходящие технологии для объединения цепи нагрузки и тонкого проводника для логических сигналов на печатной плате FR4.. Вы экономите место и избегаете традиционной технологии соединения с отдельными платами, что увеличивает надежность управления двигателем. Разработчик печатной платы может оптимизировать допустимую нагрузку по току и рассеивание тепла силовых полупроводников в соответствии со своей задачей..

С точки зрения печатной платы, Характеристики приводной электроники можно резюмировать в пяти пунктах: 1) высокая плотность интеграции, 2) надежность электронной сборки, 3) быстрое рассеивание тепла, 4) высокие токи в сочетании с управляющей электроникой и 5) снижение системных затрат, например. за счет перехода на SMD компоненты, меньше компонентов или процессов сборки.

Умное решение - объединить силовую часть и управляющую электронику., т.е.. цепи нагрузки и логика управления, вместо двух плат на одной плате. тем не мение, это требует больших поперечных сечений проводов и больших изоляционных расстояний для сильноточных проводов и, в то же время, тонкие проводниковые конструкции для управления на одной плате. Это исключает дорогостоящие штекерные соединения., кабели, и шины, а также этапы сборки и риски, ограничивающие надежность. Специалист по печатным платам KSG предлагает для этого три технологии.: толстая медь, Айсберг и технология HSMtec. Во всех трех процессах используется стандартный базовый материал FR4..

Безопасный контакт с сильноточной печатной платой

У всех этих технологий есть что-то общее.: Обычно отсутствует достаточное поперечное сечение между слоями сильноточной печатной платы и соединениями для компонентов поверхностного монтажа или винтовых соединений.. Переходные отверстия образуют узкое место для токов желаемого размера.. И вставные заглушки, винты, и зажимы также не гарантируют надежного контакта со слоями. Только чистая пайка соединений обеспечивает непрерывное соединение компонентов со всеми слоями.. Здесь, тем не мение, чем выше общая толщина меди, более рискованно проникновение припоя.

В отличие, независимо от дизайна, Сильноточная печатная плата контактирует с компонентами и соединениями с максимальным сечением проводника (Фигура 2 ниже). Этим способом, Компоненты SM и THT можно комбинировать с силовыми полупроводниками., запрессованные контакты и резьбовые соединения без узких мест на пути тока. В то же время, шина служит радиатором. Компоненты находятся в непосредственном контакте с этой тепловой массой и поэтому оптимально охлаждаются..

Дизайн, производство, и обработка сильноточной печатной платы

По сравнению с обычными шинами, известными из электротехники, медные детали индивидуальной формы используются для сильноточной печатной платы. Форма и положение медных деталей могут быть произвольно определены. Это дает проектировщику-компоновщику свободу размещать компоненты и соединения таким образом, чтобы создать компактный модуль с оптимизированными тепловыми и электрическими функциями..

Поскольку каждый сильноточный проект имеет свои особенности, сложно установить общие правила проектирования. В зависимости от размера и формы медных деталей и изоляционных стержней, пределы проектирования для каждого проекта должны быть проверены. Ориентировочные значения служат приблизительным ориентиром для проектирования..

Для изготовления сильноточной печатной платы, сначала изготавливаются медные детали. В зависимости от размера, форма, и количество деталей, это делается травлением, фрезерование или штамповка. Медные детали помещаются в предварительно отфрезерованные рамы, а затем прессуются препрегами и, возможно, другими слоями..

Одним из преимуществ сильноточной печатной платы является обработка. Поскольку шины встроены, the high-current circuit board – apart from its weight – cannot be distinguished externally from other circuit boards. Его можно обрабатывать обычными процессами SMD, если профиль настроен на более высокую тепловую массу.. Опыт показывает, что эти процессы пайки можно хорошо освоить.. Процесс ремонта компонентов, которые непосредственно контактируют с сильноточной шиной., с другой стороны, сложнее, чем с обычными плоскими сборками.

Варианты технологии сильноточной печатной платы

Полный потенциал сильноточной печатной платы становится очевидным, если рассмотреть возможные варианты..

Технология дает наибольшие преимущества, если медные детали имеют такую ​​форму, чтобы они доходили до поверхности и находились заподлицо с другими контактными площадками на TOP и / или BOT (Рисунок. 1). Это дает вам полностью плоскую печатную плату, которую можно обрабатывать в процессе последующей печати и сборки пасты без регулировки.. Кабельные наконечники, модули, и привинчиваемые компоненты также легче подключать к сильноточной позиции.

В другой версии технологии, слой сильноточного тока выступает сбоку от края печатной платы. Эти контакты могут использоваться непосредственно как заглушки или могут подключаться как конец обычной шины..

Следующие два варианта сильноточной печатной платы нецелесообразны на большие токи, чем на охлаждение компонентов.

Если медные детали имеют SMD-соединительные поверхности как вверх, так и вниз, они работают как обычные вкладки на печатных платах, которые вдавливаются в прорези на печатных платах для отвода тепла от силовых компонентов от TOP к BOT.. Закладываемые медные детали (Рисунок. 9) отличаются от обычных вкладок тем, что они более надежны в производстве и обработке, так как на печатной плате не возникает механических нагрузок.. Кроме того, размер и положение подушечек можно выбирать независимо друг от друга. Электрическое подключение также возможно без дополнительных усилий..

Последний вариант сильноточной печатной платы - односторонний. (Цифры 10 а также 11). Здесь, выступающие прокладки из медного листа выступают через изоляцию тонкого изоляционного слоя, для прямого контакта радиатора SMD с соответствующими соединениями компонентов. В отличие от алюминиевых подложек из IMS, эта версия не имеет изоляционного слоя, так что здесь могут рассеиваться значительно более высокие мощности. Такие конструкции используются, среди прочего, для высокоэффективных светодиодов до 10 W.

С сильноточной платой, МОКО Технология расширяет спектр технологий в области терморегулирования, добавляя еще один важный компонент:

Твердая медь встроена в печатную плату и может быть установлена ​​непосредственно на контактные площадки SMD, которые достигают поверхности..

Структура сильноточной печатной платы SMD

Сильноточная печатная плата также может контактировать с другими технологиями сборки и подключения.:

– Reflow/wave soldering SMD / THT- Склеивание алюминиевой проволокой
– Screws: люверсы / резьбовые отверстия
– Blind holes from the outer layers
– Press-fit technology high current connector

Во многих случаях, дополнительные усилия по производству сильноточных печатных плат могут быть частично сокращены за счет специально реализованных производственных процессов и частично за счет оптимизированного управления стандартными процессами..

Толстые медные печатные платы распределяют потери мощности по горизонтали.

Технология толстой меди зарекомендовала себя на рынке много лет и производится в больших количествах.. В производстве печатных плат обычно говорят о толстой меди для медных структур толщиной ≥105 мкм.. Толстые медные проводники служат для лучшего горизонтального распределения тепла при больших потерях мощности от силовых компонентов и / или для передачи больших токов и заменяют штампованные и гнутые конструкции для сборных шин в сильноточных печатных платах.. С четырьмя внутренними слоями, каждый с 400 мкм медь, возможна токовая нагрузка в несколько сотен ампер. Идеально, толстые медные проводники расположены во внутренних слоях.

Гибкость при изменении макета, компактный дизайн, простая обработка / сборка и сравнительно низкие затраты на замену, а также стандартные процессы в индустрии печатных плат говорят в пользу толстой медной печатной платы. Хотя этапы обработки толстой медной печатной платы существенно не отличаются от стандартной пропускной способности обычной печатной платы., производство требует особого технологического опыта и менеджмента. Печатная плата из толстой меди остается на линии травления. 10 к 15 раз дольше и имеет типичный профиль травления. Процессы травления и сверления толстой медной печатной платы определяют правила проектирования принципиальной схемы и должны соблюдаться.. У производителя печатной платы есть список предложений по стоимости и правилам построения слоев, оптимизированных для процесса, и правил проектирования..

Важно знать: Ламинат FR4 с базовой медной оболочкой ≥105 мкм дороже из-за высокого содержания меди.. По сравнению со стандартным ламинатом, ламинированным с обеих сторон 18 мкм, фактор стоимости материала составляет около 1: 8 к 1:10. Разработчик печатной платы должен обратить внимание на максимальное использование материала.. Своевременное согласование с производителем печатных плат помогает значительно снизить затраты. Что касается миниатюризации, технология толстой меди ограничена. Из-за сильного подреза, могут быть созданы только относительно грубые структуры. Еще одно ограничение: тонкая сигнальная проводка невозможна на том же уровне проводки, что и толстый медный провод.

Айсберг: для равномерного рельефа поверхности

На уровне проводки, есть районы с 70 к 100 мкм медь для логики и областей с до 400 мкм медь для нагрузки. Толстая медь в значительной степени утоплена в печатной плате.. Это создает однородную топографию поверхности по всей схеме проводников.. Принцип айсберга также можно комбинировать с толстой медью на внутренних слоях..

Встраивание двух третей 400 Медная поверхность толщиной мкм в основном материале создает плоскую поверхность печатной платы.. Преимущество: Боковые поверхности проводников могут быть надежно покрыты паяльной маской всего за один процесс литья.. Последующий процесс сборки возможен на одном уровне.. Конструкции Iceberg также подходят в качестве радиаторов для силовых компонентов и могут сочетаться со сквозными металлическими отверстиями. (способы) для оптимизации терморегулирования.

HSMtec: медные элементы во внутреннем и внешнем слоях
Еще один способ комбинировать нагрузку и логику на печатной плате - HSMtec.. Здесь, массивные медные элементы выборочно устанавливаются во внутренние слои и под внешние слои многослойного FR4 в тех местах, где протекают большие токи, и соединены ультразвуком с медной основой протравленных рисунков проводников.. После прижатия слоев, медные профили расположены под внешними слоями и / или во внутренних слоях многослойной. Остальная часть печатной платы остается неизменной..

Многослойный материал изготавливается в стандартном производственном процессе и далее обрабатывается обычным способом сборки и пайки.. С этой структурой, могут быть выполнены электрические спецификации для диэлектрической прочности и классов изоляции машин, а также для жестких температурных условий с ограниченным пространством для установки в транспортных средствах.

Сплошные медные профили внутри многослойного материала также позволяют создавать трехмерные конструкции.. Фрезерование пазов перпендикулярно медным профилям позволяет изгибать сегменты печатной платы до 90 °. Этим способом, пространство для установки грамотно использовано, а сильный ток и тепло передаются по кромке изгиба. Конструкция выполнена в виде двухмерной печатной платы., изготовлены и собраны в панели. После сборки или сборки модуля, печатная плата изогнута в трехмерную форму.

Программа помогает разработчикам определять параметры сильноточных проводников.. Всего несколько записей, таких как ток и температура, калькулятор обеспечивает минимальную ширину провода для HSMtec, а также для 70 а также 105 медная оболочка мкм.