Osazování desek plošných spojů pro řízení motoru: Výzvy v oblasti výroby, testování a spolehlivosti

Obsah

1. Čím se liší deska plošných spojů pro řízení motoru?

2. Proč je montáž desek plošných spojů pro řízení motoru náročnější

3. Příprava desky plošných spojů pro řízení motoru pro spolehlivou výrobu

4. Proces montáže desky plošných spojů pro řízení motoru

5. Kontrola a testování sestav desek plošných spojů pro řízení motoru

6. Přizpůsobení strategie montáže aplikaci

7. závěr

8. Časté dotazy

 

---

Zasekávající se robotické rameno během pohybu. Systém ovládání elektrokola, který nefunguje kvůli přehřátí při stoupání. Motor dopravníku, který způsobuje poruchu nadproudu, i když s ním není nic špatného. Všechny tyto situace mohou souviset spíše s problémy v sestavě desky plošných spojů pro řízení motoru než s nějakou vadou v samotném motoru.

 

Motory využívají elektrickou energii k provádění mechanické práce téměř v jakémkoli průmyslovém odvětví – od automatizovaných výrobních zařízení až po elektrická vozidla – a moderní systémy řízení motorů se spoléhají na elektroniku, která musí zvládat opakované spínání proudu. Sestavy plošných spojů pro řízení motoru mohou čelit elektrickému a tepelnému namáhání, kterému typická nízkopříkonová logická deska nemusí čelit, což vytváří specifické výrobní problémy.

 

Analýza trhu s elektromotory a pohony v tomto odvětví opakovaně naznačila růstové vyhlídky v nadcházejících letech. To je dáno trendy v automatizaci, politikou energetické účinnosti a elektromobilitou, které zvýší poptávku po spolehlivé elektronice pro řízení motorů. To vše vyžaduje řídicí desku, která je schopna plnit svou funkci za daných specifických elektrických a environmentálních podmínek.

 

Tento článek vás provede tím, jak se deska plošných spojů pro řízení motoru liší od ostatních elektronických součástek, důvody, proč je její výroba obtížná, a procesy používané k její montáži a testování.

 

Čím se liší deska plošných spojů pro řízení motoru?

 

Deska plošných spojů pro řízení motoru není jen prostředníkem mezi dvěma čipy; v závislosti na aplikaci musí detekovat polohu motoru nebo proud, provádět určité zpracování a řídit výkonový stupeň, který spíná proud. Některé spínací a řídicí události probíhají v mikrosekundových časových intervalech.

 

Ovládání, napájení, snímání a ochrana na jedné desce plošných spojů

 

Většina desek plošných spojů pro regulátory motorů obsahuje čtyři oblasti na jedné desce plošných spojů: řídicí logiku, která může být realizována mikrokontrolérem nebo DSP; spínací oblast, která obsahuje budič hradla a výkonový stupeň; oblast zpětné vazby, která obsahuje proudový nebo polohový senzor; a ochranné obvody pro nadproudové a přepěťové události.

 

Právě úkol udržovat vhodné elektrické oddělení a čisté signálové cesty mezi těmito oblastmi a zároveň je umístit na jednu desku plošných spojů pro řízení motoru je důvodem, proč je návrh desek plošných spojů pro řízení motoru náročný.

 

Konstrukce, která umisťuje oblast se šumem v blízkosti citlivé proudové stopy, může fungovat za lehkých laboratorních podmínek, ale jakmile se motor začne otáčet pod zátěží, může dojít k poruše nebo se stát nestabilní.

 

Deska plošných spojů pro řízení motoru vs. deska plošných spojů pro ovladač motoru

 

Tyto dva pojmy se někdy používají zaměnitelně, ale z praktických důvodů se deska plošných spojů pro řízení motoru obvykle vztahuje primárně na stupeň spínání napájení, zatímco deska plošných spojů pro řízení motoru může také zahrnovat řídicí logiku, snímání, zpětnou vazbu, komunikaci a ochranu. Systém řízení motoru s uzavřenou smyčkou využívá zpětnou vazbu k přizpůsobení svého chování měnícím se provozním podmínkám.

 

Některé aplikace vyžadují pouze základní desku plošných spojů s ovladačem motoru. Příkladem je ventilátor, který pracuje s pevnou rychlostí a nemusí nutně vyžadovat žádnou zpětnou vazbu. Existují však i aplikace, které vyžadují celý systém zpětné vazby.

 

Proč je montáž desek plošných spojů pro řízení motoru náročnější

 

Montáž elektroniky se jen zřídka musí vypořádat s kombinací namáhání, kterému deska řídicí jednotky motoru čelí každý den.

 

Vysokovýkonné a výkonové komponenty

 

Některé desky plošných spojů pro řízení motorů s vysokým proudem propouštějí v závislosti na aplikaci desítky nebo dokonce stovky ampérů přes vodiče a konektory, které musí při přenášení jmenovitého zatížení zůstat chladné. Výpočet šířky vodičů, hmotnosti mědi a průchodů se stává spíše nezbytným než volitelným, protože jakákoli poddimenzovaná měď začne v okamžiku odebírání proudu fungovat jako generátor tepla.

 

Deska identická s méně výkonnou deskou ve schématu se může při přenosu reálného proudu chovat zcela odlišně, a to z důvodu nutnosti ověření schopnosti přenosu proudu.

 

Tepelný management a spolehlivost pájených spojů

 

Výkonové součástky, jako jsou MOSFETy a budiče, produkují teplo, které je třeba z desky velmi rychle odvést. Teplo se odvádí pomocí tepelných prostupů, měděných litin a v některých případech i kovového substrátu, zatímco pájené spoje výkonových zařízení by měly být dostatečně pevné, aby odolaly tepelným cyklům bez praskání.

 

Deska plošných spojů pro řízení motoru, která tímto procesem neprojde, se bude tiše opotřebovávat, jeden tepelný cyklus za druhým, dokud jeden spoj nepraskne. V tomto okamžiku by bylo obtížné rozlišit mezi náhodným návratem pole a konstrukční vadou.

 

Udržování citlivých signálů mimo dosah přepínání napájení

 

Rychlé spínací hrany ve výkonové části emitují elektrický šum, který může ovlivnit měření proudu přes proudový senzor nebo vstupní signál enkodéru. Správné umístění zajišťuje, že spínací cesty a cesty analogového snímání jsou oddělené a cesty řízení hradla jsou co nejkratší.

 

To by nebylo zřejmé při zkušebním provozu s lehkým zatížením, ale projeví se to až tehdy, když se motor skutečně začne otáčet s momentovým zatížením.

 

Příprava desky plošných spojů pro řízení motoru pro spolehlivou výrobu

 

Než se jednotlivá součástka dostane do osazovacího stroje, určuje sada konstrukčních a kontrolních rozhodnutí, jak hladce bude probíhat výroba plošných spojů pro řízení motoru.

 

Úvahy o deskách plošných spojů a stack-upu

 

Mezi aspekty stohování při výrobě desek plošných spojů pro regulátory motorů může patřit použití silné měděné vrstvy na napájecí rovině a samostatné roviny pro návratové roviny pohonu hradla. Počet použitých vrstev a tloušťka mědi by měly být založeny na elektrických, tepelných, mechanických a izolačních požadavcích, které bude deska splňovat v provozu, nikoli v podmínkách zkušebního provozu.

 

Kontrola komponent a kusovníku

 

Pro kontrolu kusovníku sestavy řídicí desky motoru by měla být identifikována jakákoli součástka, která má vzhledem k aplikaci nepatrně nízkou proudovou a/nebo napěťovou kapacitu. Hradlové pohony, MOSFETy a rezistory pro snímání proudu musí mít dostatečnou rezervu pro zvládnutí přechodových špiček.

 

Návrh pro montáž a testování

 

Testovací body na hradlových signálech, snímání proudu a důležitých napěťových sběrnicích šetří neuvěřitelné množství času při přípravě k provozu a výrobních testech. Konstrukce bez těchto bodů vyžaduje přímé zkoušení kontaktů s jemnou roztečí, což extrémně zpomaluje testování každé jednotky opouštějící montážní linku.

 

Proces montáže plošných spojů pro řízení motoru

 

Standardní procesy montáže desek plošných spojů zůstávají relevantní, ačkoli každá fáze má další význam vzhledem k tomu, že montovaná deska je regulátor motoru, a ignorování této skutečnosti je důvodem, proč obecný proces v tomto konkrétním případě ztrácí na významu.

 

Pájecí pasta, SMT umisťování a reflow

 

Objem pájecí pasty je obzvláště důležitý pro sestavu desky plošných spojů pro řízení motoru, když výkonové MOSFETy používají odkryté tepelné podložky, protože tyto podložky vyžadují dostatečné pokrytí pájkou pro efektivní vedení tepla. Pokud toto není během návrhu šablony a přetavování správně kontrolováno, může dojít k nadměrnému dutinění, což snižuje přenos tepla a potenciálně vytváří lokální horká místa pod součástkou.

 

Montáž do průchozího otvoru a smíšená technologie

 

Některé konektory pro vysoký proud, velké kondenzátory a cívky mohou používat montáž do otvoru a nikoli povrchovou montáž, protože tyto součástky musí odolávat mechanickému namáhání, které samotné povrchové montážní plošky nemohou snést. Pro montáž desek plošných spojů regulátoru motoru se smíšenou technologií se používá proces reflow a vlnového pájení nebo selektivního pájení, které chrání součástky citlivé na teplo namontované na desce plošných spojů.

 

Čištění, ochrana a sledovatelnost

 

Zbytky tavidla v blízkosti vysokonapěťových vodičů fungují jako úniková cesta, když se do obrazu dostane vlhkost, takže čištění je v tomto případě důležitější než u nízkonapěťové logické desky. Konformní povlak se aplikuje v mnoha projektech montáže řídicích desek motorů pro ochranu před vlhkostí a prachem.

 

Kód šarže a kód šarže komponenty jsou stejně důležité, protože sledování selhání v terénu musí probíhat až k výrobní šarži a šarži komponenty.

 

Inspekce a testování sestav desek plošných spojů pro řízení motoru

 

Testování desek plošných spojů pro řízení motoru musí zahrnovat mnohem více než jen pouhou kontinuitu, protože deska, která v testech splňuje základní elektrické vlastnosti, může při reálném použití selhat.

 

SPI, AOI a rentgenová kontrola

 

Kontrola pájecí pasty pomáhá odhalit problémy s jejím množstvím před přetavením a automatizovaná optická kontrola detekuje špatně zarovnané nebo chybějící součástky, které se po přetavení běžně vyskytují. Rentgenová kontrola hraje významnou roli u výkonových součástek se skrytými tepelnými podložkami, protože vizuální kontrola nedokáže ověřit, zda je pájený spoj v pořádku.

Elektrické testování a programování

 

Testování v obvodu dokáže detekovat přerušení, zkraty, nesprávné hodnoty součástek a další závady v pohonu brány a obvodech pro snímání proudu ještě před nahráním firmwaru. Testování desky plošných spojů regulátoru motoru v tomto bodě může identifikovat problémy s zapojením a součástkami ještě před pokusem o roztočení motoru.

 

Testování desek plošných spojů regulátoru motoru se navíc neomezuje pouze na detekci problémů s kontinuitou. Během testování napájení nebo funkčního testování mohou technici ověřit, zda se ochranné prahy vypnou v okamžiku, kdy by měly, protože správné chování ochrany je pro obvod zásadní.

 

Funkční a zátěžové testování

 

Funkční testování PCBA by se mělo provádět s použitím desky se skutečným motorem nebo realistickou zátěží ve formě elektronického zařízení, které se chová jako motor, spíše než aby se spoléhalo na odporovou umělou zátěž. Sestava desky plošných spojů pro regulátory motoru by měla zahrnovat kontroly aspektů, jako je omezení proudu, náběh otáček a chování při zastavení.

 

Toto jsou podmínky, které odlišují dobrý návrh od návrhu, který funguje pouze na papíře, a přesně ty podmínky, které by generický funkční test přehlédl.

 

Přizpůsobení strategie montáže aplikaci

 

Regulátory motorů pro malé ventilátory mají zcela odlišné specifikace než regulátory pro trakční motory v elektrických vozidlech; správná volba montážní strategie bude proto záviset na těchto specifikacích.

 

Při výběru výrobce desek plošných spojů pro řízení motoru by se měl výrobce originálního vybavení (OEM) ujistit, že daná společnost má zkušenosti s návrhem desek plošných spojů pro silnoproudé systémy a dokáže zajistit testovatelnost ochranných obvodů, nejen možnosti povrchové montáže (SMT). Výrobci, kteří publikují své postupy pro desky plošných spojů pro výkonové stupně, si obvykle všímají problémů, kterých by se výrobci generických desek plošných spojů nikdy nedočkali.

 

PCBasic podporuje projekty montáže desek plošných spojů pro řízení motorů s kontrolou DFM, aspekty tepelného návrhu a funkčním testováním na základě specifických požadavků projektu.

 

Závěr

 

Sestava desky plošných spojů pro řízení motoru uspěje nebo selže dlouho předtím, než se produkt dostane k zákazníkům, a to na základě rozhodnutí o hmotnosti mědi, tepelném provedení a testování, která byla učiněna měsíce předem.

 

Správná rozhodnutí od samého začátku by ušetřila spoustu peněz ve srovnání s pozdější opravou problémů. Pokud hledáte výrobního partnera, který chápe, že osazování desek plošných spojů pro řízení motoru je samostatná disciplína, nikoli pouze standardní osazování desek plošných spojů, PCBasic si s vámi rád promluví.

 

Nejčastější dotazy

 

Q1: Co je to deska plošných spojů pro řízení motoru?

 

Jedná se o sestavu desky plošných spojů, která je určena k řízení a řízení provozu elektromotoru na jedné desce.

 

Otázka 2: Proč je pro sestavu plošných spojů pro řízení motoru potřeba více tepelných vlastností než pro standardní desku plošných spojů?

 

Součásti desek regulátorů motorů při zapnutí generují při zatížení teplo; proto jsou pro udržení teploty součástek a pájených spojů na jmenovité hodnotě zapotřebí tepelné prostupy, měděné odlitky a dokonce i některé kovové jádrové substráty.

 

Q3: Jaký je rozdíl mezi deskou plošných spojů pro ovladač motoru a deskou plošných spojů pro řízení motoru?

 

Deska ovladače motoru obvykle obsahuje pouze spínací stupeň, zatímco deska regulátoru motoru obsahuje další obvody potřebné pro řízení v uzavřené smyčce.

 

Q4: Jak se liší testování desky plošných spojů pro řízení motoru v porovnání s typickou deskou?

 

Testování musí jít nad rámec pouhého ověřování kontinuity; musí být schopno ověřit reálné výkonové charakteristiky, jako je omezení proudu, regulace otáček a ochranná reakce při zatížení motoru.

 

Q5: Na co by se měl výrobce originálního vybavení (OEM) zaměřit u výrobce desek plošných spojů pro řízení motoru?

 

Hledejte zkušenosti s návrhem pro vysoké proudy, odvodem tepla a funkčním testováním pod zátěží, protože tyto faktory mají přímý vliv na to, jak bude deska fungovat v daném prostředí.