Jak zaprojektować prototypową płytę PCB do testów termicznych

Problemy termiczne w PCB często są pomijane i mogą nie być adresowane, dopóki projekt nie przejdzie przez rundę prototypowania. Oczywiście, prototypowanie jest kosztowne i zespoły projektowe nie mogą wydawać nieskończonych środków na kolejne wersje prototypów, ale mogą przenieść część prac testowych na tańsze wersje prototypów. Jednym ze sposobów podejścia do tego z perspektywy termicznej jest wykonanie prototypu termicznego.

Te prototypy nie są przeznaczone do bycia skomplikowanymi lub drogimi; to tanie płytki, które zawierają tylko kilka komponentów i są specjalnie zaprojektowane do oceny wymagań termicznych w określonych obwodach. Służą również wielu celom w niektórych przypadkach, które mogą być związane z testowaniem środowiskowym, testowaniem mechanicznym i podstawowym testowaniem funkcjonalnym.

Co jest potrzebne w twoim prototypie termicznym

Prototyp termiczny może być skonstruowany jako mała płyta obwodu drukowanego, która zawiera ograniczoną liczbę komponentów. Konkretnie, powinna zawierać tylko główne komponenty, które chcesz przetestować pod kątem wydajności termicznej i niezawodności. Celem jest umieszczenie tylko obwodów o nieznanych profilach termicznych, tak aby można było je bezpośrednio zmierzyć.

Gdy obciążenie termiczne w systemie jest nieznane, zawsze pojawiają się pewne nieodpowiedziane pytania dotyczące konstrukcji płyty. Jakiej grubości miedzi użyć? Czy potrzebne są płaszczyzny na określonych warstwach? Czy potrzebny jest zaawansowany materiał o wysokiej przewodności cieplnej, czy wystarczą generyczne materiały klasy FR4? Prototypy termiczne pozwalają zbadać te i wiele innych kwestii.

• Duplikaty obwodów testowych cieplnych z różnymi komponentami
• Dużo punktów testowych na nieużywanych pinach, ważnych komponentach zasilania itp.
• Złącza lub nagłówki do dostępu do wymaganych sygnałów konfiguracyjnych i interfejsów
• Wszelkie wspierające komponenty, które mogą również generować nadmierną ilość ciepła
• Dla komponentów pasywnych lub indukcyjnych wybierz części o wspólnym opakowaniu, aby ułatwić wymianę podczas testowania

Układ PCB dla twojego obwodu testowego powinien jak najbardziej odpowiadać zamierzonej konstrukcji płyty, ale z jak najmniejszym ryzykiem. Większość płyt testowych termicznych dla ASICów może być wykonana podczas fazy inżynierii wstępnej, więc dla uproszczenia rozważ zbudowanie obwodu aplikacyjnego z karty katalogowej, a nie twojego niestandardowego rozwiązania. Dla ASICów zarządzania mocą, upewnij się, że umieścisz zamierzone dławiki, transformatory, cewki itp., ponieważ mogą one również generować dużo ciepła.

Po zaprojektowaniu prototyp termiczny może zostać wprowadzony do produkcji w taniej fabryce i zakładzie montażowym za granicą. Zazwyczaj nie projektujesz czegoś z wrażliwymi danymi IP, a liczba umieszczanych komponentów podczas montażu powinna być niska. Dzięki znacznemu uproszczeniu układu PCB i BOM, możesz obniżyć koszt budowy do minimum.

Pomiary w prototypowaniu termicznym

Po zaprojektowaniu i wyprodukowaniu, twój prototyp termiczny musi zostać przetestowany, a temperatura zmierzona. Jaki jest najlepszy sposób, aby to zrobić?

Metodą, która da najdokładniejsze odczyty temperatury na obwodzie poddawanym testowi i wokół niego, jest pomiar temperatury za pomocą kamery na podczerwień. Istnieje ogromny zakres kamer na podczerwień dostępnych z różnymi poziomami rozdzielczości i zakresu wykrywania. Są małe moduły, które można podłączyć do smartfona oraz większe przenośne imagery, które mogą dostarczać obrazy temperatury w wysokiej rozdzielczości w czasie rzeczywistym (takie jak pokazane poniżej).

Obrazy termiczne dostarczone przez Marka Harrisa w tym artykule.

Dla bardziej zaawansowanych prototypów termicznych płyt, takich jak ASIC z interfejsami cyfrowymi, może być konieczne wykonanie pewnej konfiguracji na żywo. Tutaj będziesz musiał dołączyć połączenia do rejestratora danych lub DAQ, lub połączenie szeregowe z interfejsem na płycie PCB. Pozwoli Ci to kontrolować interfejs szeregowy i monitorować stany I/O podczas testowania urządzenia.

Co z płytami deweloperskimi i ewaluacyjnymi?

Prototypowanie termiczne to moment, w którym płyty deweloperskie i ewaluacyjne mogą zabłysnąć!

Płyty deweloperskie (dev) są najczęściej używane jako prototypy rozwojowe dla mikrokontrolerów lub FPGA, gdzie użytkownik może budować firmware i aplikacje wokół konkretnego komponentu. Płyty ewaluacyjne (eval) są modułowe i mogą być podłączane do prowizorycznego zestawu za pomocą przewodów, dzięki czemu można testować, jak różne zestawy komponentów mogą współpracować w systemie.

Bez względu na to, czy jest to płyta deweloperska, czy ewaluacyjna, produkt może być również używany jako prototyp termiczny. Te płyty mogą być testowane przy wysokiej mocy lub w wysokich temperaturach, jednocześnie łącząc się z innym sprzętem lub uruchamiając aplikację. Na przykład, możesz:

• Uruchom płytę w komorze środowiskowej
• Uruchom płytę blisko jej limitów mocy lub temperatury
• Umieść płytę w obudowie z działającym wentylatorem DC
• Eksperymentuj z radiatorami i materiałami interfejsu termicznego

Płyty ewaluacyjne i płyty rozwojowe nie zawsze są doskonałym odzwierciedleniem zamierzonego obwodu, ale czasami są na tyle zbliżone, że można uzyskać rozsądne dane na temat profilu termicznego dla testowanego komponentu. Na przykład, na pokazanej poniżej płycie ewaluacyjnej sterownika bramki, można uzyskać doskonałe dane termiczne dla systemu zasilania opartego na SiC.

Płyta ewaluacyjna Texas Instruments UCC21710QDWEVM-025 do sterowania tranzystorami SiC i modułami zasilającymi.

Nie wszystkie komponenty są dostępne z płytami rozwojowymi lub ewaluacyjnymi, ale gdy te płyty są dostępne, można je kupić od wielu dystrybutorów. Sprawdź na Octopart i wyszukaj „eval board”, aby zobaczyć, co jest dostępne. Możesz również zajrzeć na strony producentów komponentów, aby znaleźć ich materiały projektowe i opcje płyt ewaluacyjnych.

Czy potrzebujesz zbudować niezawodną elektronikę mocy czy zaawansowane systemy cyfrowe, użyj kompletnego zestawu funkcji projektowania PCB i światowej klasy narzędzi CAD w Altium Designer®. Aby wdrożyć współpracę w dzisiejszym środowisku interdyscyplinarnym, innowacyjne firmy korzystają z Altium 365™, aby łatwo udostępniać dane projektowe i wprowadzać projekty do produkcji.

Dopiero zaczynamy odkrywać możliwości, jakie oferuje Altium Designer na Altium 365. Zacznij swoją darmową próbę Altium Designer + Altium 365 już dziś.