Wie man einen thermischen Prototyp einer Leiterplatte entwirft

Thermische Probleme in PCBs werden oft übersehen und sie werden möglicherweise nicht adressiert, bis ein Design durch eine Runde Prototyping gegangen ist. Offensichtlich ist Prototyping teuer und Designteams können nicht unendlich viel Geld in Prototypen stecken, aber sie können einen Teil der Testarbeit auf kostengünstigere Prototypen übertragen. Eine Möglichkeit, dies aus thermischer Perspektive anzugehen, ist die Durchführung eines thermischen Prototyps.

Diese Prototypen sind nicht dazu gedacht, aufwendig oder teuer zu sein; es sind preiswerte Platinen, die nur einige wenige Komponenten enthalten und speziell dafür konzipiert sind, die thermischen Anforderungen in bestimmten Schaltkreisen zu bewerten. Sie erfüllen in einigen Fällen auch mehrere Zwecke, die sich auf Umwelttests, mechanische Tests und grundlegende Funktionstests beziehen können.

Was Sie in Ihrem thermischen Prototypen benötigen

Ein thermischer Prototyp kann als kleine Platine konstruiert werden, die eine begrenzte Anzahl von Komponenten enthält. Speziell sollte sie nur die Hauptkomponenten enthalten, die Sie hinsichtlich der thermischen Leistung und Zuverlässigkeit testen möchten. Das Ziel ist es, nur die Schaltkreise mit unbekannten thermischen Profilen zu platzieren, sodass diese direkt gemessen werden können.

Wenn die thermische Belastung in einem System unbekannt ist, gibt es immer einige unbeantwortete Fragen bezüglich des Platinenaufbaus. Welches Kupfergewicht sollte verwendet werden? Sind Ebenen auf bestimmten Schichten erforderlich? Wird ein fortschrittliches Material mit hoher thermischer Leitfähigkeit benötigt, oder genügen generische FR4-Materialien den Spezifikationen? Thermische Prototypen ermöglichen es Ihnen, diese Punkte und vieles mehr zu untersuchen.

• Duplikate von thermischen Testkreisen mit verschiedenen Komponenten
• Viele Testpunkte auf ungenutzten Pins, wichtigen Leistungskomponenten usw.
• Steckverbinder oder Header, um auf alle erforderlichen Konfigurationssignale und Schnittstellen zuzugreifen
• Alle unterstützenden Komponenten, die ebenfalls übermäßige Wärme erzeugen können
• Für passive oder induktive Komponenten wählen Sie Teile mit gängigen Gehäusen für einen einfachen Austausch während des Tests

Das PCB-Layout für Ihren Testkreis sollte der beabsichtigten Platinenkonstruktion so nahe wie möglich kommen, jedoch mit so wenig Risiko wie möglich. Die meisten thermischen Testplatinen für ASICs können während der Front-End-Engineering-Phase durchgeführt werden, daher sollten Sie aus Gründen der Einfachheit den Anwendungsschaltkreis aus dem Datenblatt aufbauen, anstatt Ihre eigene Lösung zu verwenden. Für Power-Management-ASICs stellen Sie sicher, dass Sie Ihre beabsichtigten Induktoren, Transformatoren, Drosseln usw. platzieren, da diese ebenfalls große Wärmeerzeuger sein können.

Sobald das thermische Prototypdesign abgeschlossen ist, kann es in einer kostengünstigen Fertigungs- und Montageeinrichtung im Ausland in Produktion gehen. In der Regel entwirft man nichts mit sensibellem geistigen Eigentum, und die Anzahl der Bauteilplatzierungen während der Montage sollte gering sein. Durch eine erhebliche Vereinfachung des PCB-Layouts und der Stückliste können Sie die Herstellungskosten so niedrig wie möglich halten.

Messungen bei thermischen Prototypen

Nachdem der thermische Prototyp entworfen und hergestellt wurde, muss er getestet und die Temperatur gemessen werden. Wie macht man das am besten?

Die Methode, die die genauesten Messwerte auf und um die zu testende Schaltung liefert, ist die Temperaturmessung mit einer Infrarotkamera. Es gibt eine große Auswahl an Infrarotkameras mit verschiedenen Auflösungsstufen und Erfassungsbereichen. Es gibt kleine Module, die an Ihr Smartphone angeschlossen werden können, und es gibt größere Handgeräte, die hochauflösende Echtzeit-Temperaturkarten liefern können (wie die unten gezeigten Bilder).

Thermische Bilder zur Verfügung gestellt von Mark Harris in diesem Artikel.

Für aufwendigere thermische Prototypenplatinen, wie ASICs mit digitalen Schnittstellen, muss möglicherweise eine Live-Konfiguration durchgeführt werden. Hier müssen Sie Verbindungen zu einem Datenlogger oder DAQ oder eine serielle Verbindung zu einer Schnittstelle auf der PCB einbeziehen. Dies ermöglicht es Ihnen, die serielle Schnittstelle zu steuern und I/O-Zustände zu überwachen, während Sie das Gerät testen.

Was ist mit Entwicklungsboards und Evaluierungsboards?

Thermisches Prototyping ist der Bereich, in dem Entwicklungs- und Evaluierungsboards glänzen können!

Entwicklungsboards (dev boards) werden meist als Entwicklungsprototypen für Mikrocontroller oder FPGAs verwendet, wobei der Benutzer Firmware und Anwendungen um eine spezifische Komponente herum aufbauen kann. Evaluierungsboards (eval boards) sind modular und können mit Drähten in eine ad-hoc-Montage eingebunden werden, sodass Sie testen können, wie verschiedene Komponentensätze in einem System zusammenarbeiten können.

Ob es sich um ein Entwicklungsboard oder ein Evaluierungsboard handelt, das Produkt kann auch als thermischer Prototyp verwendet werden. Diese Boards können bei hoher Leistung oder in Umgebungen mit hohen Temperaturen getestet werden, während sie mit anderer Ausrüstung verbunden sind oder eine Anwendung ausführen. Zum Beispiel könnten Sie:

• Führen Sie die Platine in einer Umweltkammer aus
• Führen Sie die Platine nahe ihrer Leistungs- oder Temperaturgrenzen
• Platzieren Sie die Platine in einem Gehäuse mit einem laufenden Gleichstromventilator
• Experimentieren Sie mit Kühlkörpern und Wärmeleitmaterialien

Evaluierungsplatinen und Entwicklungsplatinen sind nicht immer eine perfekte Widerspiegelung Ihrer beabsichtigten Schaltung, aber manchmal kommen sie nahe genug, dass Sie vernünftige Daten zum thermischen Profil für die Komponente unter Test erhalten. Zum Beispiel könnten Sie auf der unten gezeigten Eval-Platine für Gate-Treiber hervorragende thermische Daten für ein auf SiC basierendes Leistungssystem erhalten.

Die Texas Instruments UCC21710QDWEVM-025 Eval-Platine zum Ansteuern von SiC-Transistoren und Leistungsmodulen.

Nicht alle Komponenten sind mit Entwicklungsplatinen oder Eval-Platinen verfügbar, aber wenn diese Platinen verfügbar sind, können sie von vielen Distributoren gekauft werden. Schauen Sie auf Octopart und suchen Sie nach „Eval-Platine“, um zu sehen, was verfügbar ist. Sie können auch auf den Websites der Komponentenhersteller nach ihren Referenzdesignmaterialien und Eval-Platinenoptionen suchen.

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