Come Progettare un Prototipo di PCB Termico

I problemi termici nelle PCB spesso vengono trascurati e potrebbero non essere affrontati fino a quando il design non ha superato un ciclo di prototipazione. Ovviamente, la prototipazione è costosa e i team di progettazione non possono spendere infiniti dollari in prototipi, ma possono spostare parte del lavoro di test su prototipi a costo inferiore. Un modo per affrontare questo dal punto di vista termico è eseguire un prototipo termico.

Questi prototipi non sono destinati ad essere elaborati o costosi; sono schede economiche che presentano solo alcuni componenti e sono specificamente progettati per valutare le esigenze termiche in determinati circuiti. Servono anche a scopi multipli in alcuni casi, che possono essere relativi a test ambientali, test meccanici e test funzionali di base.

Cosa ti serve nel tuo prototipo termico

Un prototipo termico può essere costruito come una piccola scheda elettronica che contiene un numero limitato di componenti. Specificamente, dovrebbe contenere solo i componenti principali che si desidera testare per le prestazioni termiche e l'affidabilità. L'obiettivo è posizionare solo i circuiti con profili termici sconosciuti in modo che questi possano essere misurati direttamente.

Quando il carico termico in un sistema è sconosciuto, ci sono sempre alcune domande senza risposta riguardo la costruzione della scheda. Quale peso del rame dovrebbe essere utilizzato? Sono necessarie piane su strati specifici? È necessario un materiale avanzato ad alta conducibilità termica, o funzioneranno materiali di grado FR4 generico secondo le specifiche? I prototipi termici ti permettono di indagare questi punti e molto altro.

• Duplicati di circuiti di test termici con componenti vari
• Molti punti di test su pin non utilizzati, componenti di potenza importanti, ecc.
• Connettori o intestazioni per accedere a qualsiasi segnale di configurazione richiesto e interfacce
• Qualsiasi componente di supporto che può anche creare eccessivo calore
• Per componenti passivi o induttivi, seleziona parti con confezionamento comune per facilitare la sostituzione durante i test

Il layout PCB per il tuo circuito di test dovrebbe corrispondere il più possibile alla costruzione della scheda intesa ma con il minor rischio possibile. La maggior parte delle schede di test termico per ASIC può essere realizzata durante la fase di ingegneria front-end, quindi per semplicità considera di costruire il circuito applicativo dal datasheet piuttosto che dalla tua soluzione personalizzata. Per gli ASIC di gestione della potenza, assicurati di posizionare i tuoi induttori, trasformatori, strozzatori, ecc. previsti, poiché anche questi possono essere grandi generatori di calore.

Una volta progettato, il prototipo termico può essere messo in produzione in un impianto di fabbricazione e assemblaggio a basso costo all'estero. Solitamente, non si sta progettando qualcosa con una proprietà intellettuale sensibile, e il numero di posizionamenti dei componenti durante l'assemblaggio dovrebbe essere basso. Attraverso una significativa semplificazione del layout del PCB e del BOM, è possibile ridurre al minimo il costo di produzione.

Misure nel Prototipaggio Termico

Una volta progettato e prodotto, il tuo prototipo termico deve essere testato e la temperatura deve essere misurata. Qual è il modo migliore per fare ciò?

Il metodo che fornirà le letture più accurate sulla e intorno al circuito in prova è la misurazione della temperatura con una telecamera a infrarossi. Esiste un'ampia gamma di telecamere a infrarossi disponibili con vari livelli di risoluzione e gamma di rilevamento. Ci sono piccoli moduli che possono essere collegati al tuo smartphone e ci sono immagini termiche portatili più grandi che possono fornire mappe della temperatura in tempo reale ad alta risoluzione (come le immagini mostrate di seguito).

Immagini termiche fornite da Mark Harris in questo articolo.

Per schede prototipo termiche più elaborate, come ASIC con interfacce digitali, potrebbe essere necessario eseguire alcune configurazioni in tempo reale. Qui sarà necessario includere connessioni a un registratore di dati o DAQ, o una connessione seriale a un'interfaccia nel PCB. Questo ti permetterà di controllare l'interfaccia seriale e monitorare gli stati I/O mentre testi il dispositivo.

Che dire delle schede di sviluppo e delle schede di valutazione?

La prototipazione termica è l'occasione in cui le schede di sviluppo e le schede di valutazione possono davvero distinguersi!

Le schede di sviluppo (dev) sono più spesso utilizzate come prototipi di sviluppo per microcontrollori o FPGA, dove l'utente può costruire firmware e applicazioni intorno a un componente specifico. Le schede di valutazione (eval) sono modulari e possono essere collegate in un assemblaggio ad hoc con fili, così puoi testare come diversi insiemi di componenti possono lavorare insieme in un sistema.

Sia che si tratti di una scheda di sviluppo o di una scheda di valutazione, il prodotto può anche essere utilizzato come prototipo termico. Queste schede possono essere testate ad alta potenza, o in ambienti ad alta temperatura, mentre interfacciano con altre apparecchiature o eseguono un'applicazione. Ad esempio, potresti:

• Fai funzionare la scheda in una camera climatica
• Esegui la scheda vicino ai suoi limiti di potenza o temperatura
• Posiziona la scheda in un contenitore con una ventola DC in funzione
• Sperimenta con dissipatori di calore e materiali di interfaccia termica

Le schede di valutazione e le schede di sviluppo non riflettono sempre perfettamente il circuito che intendi realizzare, ma a volte si avvicinano abbastanza da fornire dati ragionevoli sul profilo termico per il componente in prova. Ad esempio, nella scheda di valutazione del driver di gate mostrata di seguito, potresti ottenere eccellenti dati termici per un sistema di alimentazione basato su SiC.

La Texas Instruments UCC21710QDWEVM-025 scheda di valutazione per pilotare transistor SiC e moduli di potenza.

Non tutti i componenti sono disponibili con schede di sviluppo o di valutazione, ma quando queste schede sono disponibili possono essere acquistate da molti distributori. Consulta Octopart e cerca "scheda di valutazione" per vedere cosa è disponibile. Puoi anche guardare sui siti dei produttori di componenti per trovare i loro materiali di progetto di riferimento e le opzioni di schede di valutazione.

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