Как спроектировать тепловой прототип печатной платы

Тепловые проблемы на печатных платах часто остаются без внимания и могут не решаться до тех пор, пока дизайн не пройдет через раунд прототипирования. Очевидно, что прототипирование дорогостоящее, и команды разработчиков не могут тратить бесконечное количество долларов на создание прототипов, но они могут переложить часть работы по тестированию на более дешевые прототипы. Один из способов подхода к этому с точки зрения тепловых характеристик - это создание теплового прототипа.

Эти прототипы не предназначены быть сложными или дорогими; это недорогие платы, которые содержат всего несколько компонентов и специально разработаны для оценки тепловых требований в определенных цепях. Они также выполняют несколько функций в некоторых случаях, которые могут быть связаны с экологическими испытаниями, механическими испытаниями и базовыми функциональными испытаниями.

Что Вам Нужно в Вашем Тепловом Прототипе

Тепловой прототип может быть сконструирован как небольшая печатная плата, содержащая ограниченное количество компонентов. В частности, она должна содержать только основные компоненты, которые вы хотите протестировать на тепловую производительность и надежность. Цель состоит в том, чтобы разместить только те цепи, у которых неизвестны тепловые профили, чтобы их можно было измерить напрямую.

Когда тепловая нагрузка в системе неизвестна, всегда остаются некоторые неотвеченные вопросы касательно конструкции платы. Какой вес меди следует использовать? Нужны ли слои с плоскостями в определенных местах? Необходим ли материал с высокой теплопроводностью, или подойдут стандартные материалы FR4-класса? Тепловые прототипы позволяют исследовать эти и многие другие вопросы.

• Дубликаты тепловых тестовых схем с различными компонентами
• Множество точек тестирования на неиспользуемых выводах, важных компонентах питания и т.д.
• Разъемы или штыревые соединители для доступа к необходимым сигналам конфигурации и интерфейсам
• Любые вспомогательные компоненты, которые также могут создавать избыточное тепло
• Для пассивных или индуктивных компонентов выбирайте детали с общим типом корпуса для удобной замены во время тестирования

Макет печатной платы для вашей тестовой схемы должен максимально соответствовать предполагаемой конструкции платы, но с минимальным риском. Большинство тепловых тестовых плат для ASIC можно выполнить на этапе предварительной инженерной разработки, поэтому для упрощения рассмотрите возможность сборки прикладной схемы из технического описания, а не вашего индивидуального решения. Для ASIC управления питанием обязательно установите предполагаемые индукторы, трансформаторы, дроссели и т.д., так как они также могут быть крупными источниками тепла.

После разработки тепловой прототип можно запустить в производство на недорогом заводе по изготовлению и сборке за рубежом. Обычно вы не работаете с чем-то, что имеет чувствительную интеллектуальную собственность, и количество установок компонентов во время сборки должно быть невысоким. Благодаря значительному упрощению компоновки печатной платы и BOM, вы можете снизить стоимость сборки до минимума.

Измерения при тепловом прототипировании

После разработки и производства ваш тепловой прототип необходимо протестировать и измерить температуру. Какой лучший способ это сделать?

Метод, который даст наиболее точные показания температуры на и вокруг испытываемой схемы, - это измерение температуры с помощью инфракрасной камеры. Существует огромный выбор инфракрасных камер с различным уровнем разрешения и диапазоном обнаружения. Есть маленькие модули, которые можно подключить к вашему смартфону, и есть большие ручные устройства, которые могут предоставлять карты температуры в реальном времени высокого разрешения (как показано на изображениях ниже).

Тепловые изображения предоставлены Марком Харрисом в этой статье.

Для более сложных тепловых прототипов плат, таких как ASIC с цифровыми интерфейсами, может потребоваться выполнение некоторой живой конфигурации. Здесь вам нужно будет включить подключения к регистратору данных или DAQ, или последовательное соединение с интерфейсом на печатной плате. Это позволит вам управлять последовательным интерфейсом и мониторить состояния ввода/вывода во время тестирования устройства.

Что насчет разработочных плат и плат оценки?

Тепловое прототипирование - это область, где разработочные платы и платы оценки могут проявить себя!

Разработочные (dev) платы чаще всего используются как прототипы для разработки микроконтроллеров или FPGA, где пользователь может создавать прошивку и приложения вокруг определенного компонента. Платы оценки (eval) являются модульными и могут быть подключены в собранную наспех сборку с помощью проводов, так что вы можете тестировать, как различные наборы компонентов могут работать вместе в системе.

Будь то разработочная плата или плата оценки, продукт также может быть использован как тепловой прототип. Эти платы могут быть протестированы при высокой мощности или в условиях высокой температуры, в то время как они взаимодействуют с другим оборудованием или запускают приложение. Например, вы могли бы:

• Запустите плату в климатической камере
• Запустите плату вблизи её пределов мощности или температуры
• Разместите плату в корпусе с работающим вентилятором постоянного тока
• Экспериментируйте с радиаторами и теплопроводящими интерфейсными материалами

Оценочные платы и разработческие платы не всегда идеально отражают вашу задуманную схему, но иногда они настолько близки, что вы можете получить разумные данные о тепловом профиле для тестируемого компонента. Например, на показанной ниже оценочной плате для управления затвором, вы могли бы получить отличные тепловые данные для системы на основе SiC.

Оценочная плата Texas Instruments UCC21710QDWEVM-025 для управления транзисторами SiC и силовыми модулями.

Не все компоненты доступны с разработческими или оценочными платами, но когда эти платы доступны, их можно приобрести у многих дистрибьюторов. Посмотрите на Octopart и поищите «eval board», чтобы увидеть, что доступно. Вы также можете посмотреть на сайтах производителей компонентов, чтобы найти их референсные материалы и варианты оценочных плат.

Вне зависимости от того, нужно ли вам создать надежную силовую электронику или передовые цифровые системы, используйте полный набор функций проектирования печатных плат и мирового класса инструменты CAD в Altium Designer®. Для реализации сотрудничества в современной междисциплинарной среде, инновационные компании используют Altium 365™ для удобного обмена данными проектирования и запуска проектов в производство.

Мы только начали раскрывать возможности Altium Designer на Altium 365. Начните вашу бесплатную пробную версию Altium Designer + Altium 365 сегодня.