Cách Thiết kế Một Mẫu PCB Nhiệt

Vấn đề nhiệt trong PCB thường bị bỏ qua và có thể không được giải quyết cho đến khi thiết kế đã trải qua một vòng chế tạo mẫu. Rõ ràng, việc chế tạo mẫu tốn kém và các nhóm thiết kế không thể chi tiêu vô hạn vào các lần chế tạo mẫu, nhưng họ có thể chuyển một số công việc thử nghiệm vào các lần chế tạo mẫu có chi phí thấp hơn. Một cách tiếp cận từ góc độ nhiệt độ là thực hiện một mẫu thử nhiệt.

Những mẫu thử này không nhằm mục đích là phức tạp hay tốn kém; chúng là những bảng mạch giá rẻ chỉ bao gồm một vài linh kiện, và được thiết kế đặc biệt để đánh giá nhu cầu nhiệt độ trong một số mạch nhất định. Chúng cũng phục vụ nhiều mục đích trong một số trường hợp, có thể liên quan đến thử nghiệm môi trường, thử nghiệm cơ khí và thử nghiệm chức năng cơ bản.

Những Gì Bạn Cần Trong Mẫu Thử Nhiệt Của Mình

Một mẫu thử nhiệt có thể được xây dựng như một bảng mạch nhỏ chứa một số lượng hạn chế các linh kiện. Cụ thể, nó chỉ nên chứa các linh kiện chính mà bạn muốn thử nghiệm về hiệu suất nhiệt và độ tin cậy. Mục tiêu là chỉ đặt các mạch với hồ sơ nhiệt không xác định để có thể đo lường trực tiếp.

Khi tải nhiệt trong một hệ thống không được biết, luôn có một số câu hỏi chưa được trả lời liên quan đến việc xây dựng bảng mạch. Trọng lượng đồng nên sử dụng bao nhiêu? Có cần các lớp mặt đất ở các lớp cụ thể không? Liệu cần sử dụng vật liệu dẫn nhiệt cao cấp hay vật liệu cấp FR4 thông thường đã đủ đáp ứng yêu cầu? Mẫu nhiệt cho phép bạn khám phá những điểm này và nhiều hơn nữa.

• Bản sao của mạch thử nhiệt với các thành phần biến thể
• Nhiều điểm thử nghiệm trên các chân không sử dụng, các thành phần điện quan trọng, v.v.
• Các kết nối hoặc đầu nối để truy cập bất kỳ tín hiệu cấu hình và giao diện cần thiết nào
• Bất kỳ thành phần hỗ trợ nào cũng có thể tạo ra nhiệt độ cao
• Đối với các thành phần bị động hoặc cảm ứng, chọn các bộ phận có bao bì chung để dễ dàng thay thế khi thử nghiệm

Bố cục PCB cho mạch thử nghiệm của bạn nên khớp chặt chẽ với cấu trúc bảng mạch dự định nhưng với rủi ro thấp nhất có thể. Hầu hết các bảng thử nghiệm nhiệt cho ASIC có thể được thực hiện trong giai đoạn kỹ thuật đầu tiên, vì vậy để đơn giản, hãy xem xét việc xây dựng mạch ứng dụng từ bảng dữ liệu thay vì giải pháp tùy chỉnh của bạn. Đối với ASIC quản lý năng lượng, hãy chắc chắn đặt các cuộn cảm, biến áp, cuộn dây chống nhiễu, v.v. mà bạn dự định vì chúng cũng có thể tạo ra nhiều nhiệt.

Sau khi thiết kế, mẫu nhiệt có thể được đưa vào sản xuất tại một cơ sở sản xuất và lắp ráp giá rẻ ở nước ngoài. Thông thường, bạn không thiết kế một thứ gì đó chứa thông tin sở hữu trí tuệ nhạy cảm, và số lượng linh kiện được lắp đặt trong quá trình lắp ráp nên thấp. Thông qua việc đơn giản hóa đáng kể bố cục PCB và BOM, bạn có thể giảm chi phí xây dựng xuống mức thấp nhất có thể.

Đo lường trong Mẫu Nhiệt

Sau khi thiết kế và sản xuất, mẫu nhiệt của bạn cần được kiểm tra và nhiệt độ cần được đo lường. Cách tốt nhất để làm điều này là gì?

Phương pháp sẽ cung cấp các số liệu chính xác nhất về nhiệt độ trên và xung quanh mạch đang kiểm tra là đo nhiệt độ bằng máy ảnh hồng ngoại. Có một phạm vi rộng lớn các loại máy ảnh hồng ngoại với các mức độ độ phân giải và phạm vi phát hiện khác nhau. Có những mô-đun nhỏ có thể cắm vào điện thoại thông minh của bạn và có những máy ảnh cầm tay lớn hơn có thể cung cấp bản đồ nhiệt độ thời gian thực có độ phân giải cao (như các hình ảnh được hiển thị bên dưới).

Hình ảnh nhiệt được cung cấp bởi Mark Harris trong bài viết này.

Đối với các bảng mẫu nhiệt phức tạp hơn, như ASICs với giao diện số, có thể cần thực hiện một số cấu hình trực tiếp. Đây là lúc bạn cần phải bao gồm kết nối với một bộ ghi dữ liệu hoặc DAQ, hoặc một kết nối nối tiếp với một giao diện trong PCB. Điều này sẽ cho phép bạn kiểm soát giao diện nối tiếp và theo dõi trạng thái I/O khi bạn kiểm tra thiết bị.

Về Bảng Phát Triển và Bảng Đánh Giá thì sao?

Việc tạo mẫu nhiệt là cơ hội để bảng phát triển và bảng đánh giá tỏa sáng!

Bảng phát triển (dev boards) thường được sử dụng như mẫu phát triển cho vi điều khiển hoặc FPGA, nơi người dùng có thể xây dựng firmware và ứng dụng xung quanh một thành phần cụ thể. Bảng đánh giá (eval boards) là mô-đun và có thể được kết nối vào một hệ thống lắp ráp tạm thời với dây, vì vậy bạn có thể kiểm tra cách các bộ phận khác nhau có thể làm việc cùng nhau trong một hệ thống.

Dù là bảng phát triển hay bảng đánh giá, sản phẩm cũng có thể được sử dụng như một mẫu nhiệt. Những bảng này có thể được kiểm tra ở công suất cao, hoặc trong môi trường nhiệt độ cao, trong khi kết nối với các thiết bị khác hoặc chạy một ứng dụng. Ví dụ, bạn có thể:

• Chạy bo mạch trong phòng thí nghiệm môi trường
• Chạy bo mạch gần giới hạn công suất hoặc nhiệt độ của nó
• Đặt bo mạch trong vỏ kín có quạt DC đang hoạt động
• Thử nghiệm với tản nhiệt và vật liệu giao diện nhiệt

Các bo mạch đánh giá và bo mạch phát triển không phải lúc nào cũng phản ánh chính xác mạch bạn dự định, nhưng đôi khi chúng đủ gần để bạn có được dữ liệu hợp lý về hồ sơ nhiệt cho linh kiện đang được kiểm tra. Ví dụ, với bo mạch đánh giá cổng lái dưới đây, bạn có thể thu được dữ liệu nhiệt xuất sắc cho hệ thống điện dựa trên SiC.

Bo mạch đánh giá Texas Instruments UCC21710QDWEVM-025 dành cho việc điều khiển transistor SiC và mô-đun điện.

Không phải tất cả các linh kiện đều có sẵn với bo mạch phát triển hoặc bo mạch đánh giá, nhưng khi những bo mạch này có sẵn, chúng có thể được mua từ nhiều nhà phân phối. Hãy xem Octopart và tìm kiếm “eval board” để xem những gì có sẵn. Bạn cũng có thể xem trên các trang web của nhà sản xuất linh kiện để tìm kiếm tài liệu thiết kế tham khảo và các lựa chọn bo mạch đánh giá của họ.

Dù bạn cần xây dựng điện tử công suất đáng tin cậy hay hệ thống số tiên tiến, hãy sử dụng bộ tính năng thiết kế PCB đầy đủ và công cụ CAD hàng đầu thế giới trong Altium Designer®. Để triển khai sự hợp tác trong môi trường đa ngành nghề ngày nay, các công ty đổi mới đang sử dụng Altium 365™ để dễ dàng chia sẻ dữ liệu thiết kế và đưa dự án vào sản xuất.

Chúng ta mới chỉ khám phá bề mặt của những gì có thể thực hiện với Altium Designer trên Altium 365. Bắt đầu dùng thử miễn phí Altium Designer + Altium 365 ngay hôm nay.