Montagem de PCBs para Controle de Motores: Desafios de Fabricação, Teste e Confiabilidade

Conteúdo

1. O que diferencia uma placa de circuito impresso para controle de motores?

2. Por que a montagem de placas de circuito impresso para controle de motores é mais exigente?

3. Preparando uma placa de circuito impresso para controle de motor visando uma fabricação confiável.

4. Processo de Montagem da Placa de Circuito Impresso para Controle do Motor

5. Inspeção e teste de placas de circuito impresso para controle de motores

6. Adequar a estratégia de montagem à aplicação

7. Conclusão

8. FAQs

 

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Um braço robótico que apresenta falhas durante o movimento. Um sistema de controle de bicicleta elétrica que para de funcionar devido ao superaquecimento ao subir uma ladeira. Um motor de esteira transportadora que causa uma falha de sobrecorrente, mesmo quando não há nada de errado com ele. Todas essas situações podem estar relacionadas a problemas na placa de circuito impresso (PCB) de controle do motor, e não a alguma falha no próprio motor.

 

Os motores utilizam energia elétrica para realizar trabalho mecânico em praticamente todos os setores industriais – desde instalações de produção automatizadas até veículos elétricos – e os modernos sistemas de controle de motores dependem de componentes eletrônicos que precisam lidar com comutação de corrente repetida. A montagem de placas de circuito impresso (PCBs) para controle de motores pode enfrentar tensões elétricas e térmicas que uma placa lógica típica de baixa potência não enfrentaria, o que cria desafios de fabricação específicos.

 

A análise da indústria do mercado de motores e acionamentos elétricos tem indicado repetidamente as perspectivas de crescimento para os próximos anos. Isso se deve às tendências de automação, às políticas de eficiência energética e à mobilidade elétrica, que aumentarão a demanda por eletrônica de controle de motores confiável. Tudo isso requer uma placa de controle capaz de desempenhar sua função sob condições elétricas e ambientais específicas.

 

Este artigo irá orientá-lo sobre como uma placa de circuito impresso (PCB) para controle de motor difere de outros componentes eletrônicos, os motivos pelos quais sua fabricação é difícil e os processos utilizados para montá-la e testá-la.

 

O que diferencia uma placa de circuito impresso para controle de motores?

 

Uma placa de circuito impresso para controle de motores não é apenas uma intermediária entre dois chips; dependendo da aplicação, ela deve detectar a posição ou a corrente do motor, realizar algum processamento e acionar um estágio de potência que chaveia a corrente. Alguns eventos de chaveamento e controle ocorrem em escalas de tempo de microssegundos.

 

Controle, alimentação, sensores e proteção em uma única placa de circuito impresso.

 

A maioria das placas de circuito de controladores de motores inclui quatro regiões em uma única placa: a lógica de controle, que pode ser implementada por um microcontrolador ou um DSP; a região de comutação, que inclui um driver de porta e um estágio de potência; uma região de feedback, que contém um sensor de corrente ou de posição; e circuitos de proteção contra sobrecorrente e sobretensão.

 

É precisamente a tarefa de manter a separação elétrica adequada e caminhos de sinal limpos entre essas regiões, ao mesmo tempo que se as coloca em uma única placa de circuito de controle de motor, que torna o projeto de PCBs de controle de motor um desafio.

 

Um projeto que posiciona a região de comutação ruidosa perto da trilha sensível de detecção de corrente pode funcionar em condições leves de bancada, mas apresentar mau funcionamento ou tornar-se instável assim que o motor começar a girar sob carga.

 

Placa de circuito impresso para controle de motor vs. placa de circuito impresso para driver de motor

 

Os dois termos são às vezes usados ​​como sinônimos, mas, para fins práticos, uma placa de circuito impresso (PCB) de driver de motor geralmente se refere principalmente ao estágio de comutação de energia, enquanto uma PCB de controle de motor também pode incluir lógica de controle, sensores, realimentação, comunicação e proteção. Um sistema de controle de motor em malha fechada utiliza realimentação para adaptar seu comportamento às mudanças nas condições de operação.

 

Algumas aplicações requerem apenas uma placa de circuito impresso básica para o controlador do motor. Um exemplo é um ventilador que funciona em velocidade fixa e não precisa necessariamente de nenhum tipo de feedback. No entanto, existem algumas aplicações que exigem um sistema de feedback completo.

 

Por que a montagem de placas de circuito impresso para controle de motores é mais exigente?

 

A montagem eletrônica em geral raramente precisa lidar com a combinação de tensões que uma placa controladora de motor enfrenta diariamente.

 

Componentes de alta corrente e potência

 

Algumas placas de circuito impresso para controle de motores de alta corrente conduzem dezenas ou até centenas de amperes através de trilhas e conectores, dependendo da aplicação, que precisam permanecer frios enquanto suportam sua carga nominal. O cálculo da largura da trilha, da espessura do cobre e dos furos de passagem torna-se necessário, e não opcional, porque qualquer cobre subdimensionado começa a se comportar como um gerador de calor no momento em que a corrente é consumida.

 

Uma placa idêntica a uma menos potente no esquema pode comportar-se de maneira totalmente diferente ao conduzir corrente real, devido à necessidade de verificação da capacidade de condução de corrente.

 

Gerenciamento térmico e confiabilidade das juntas de solda

 

Componentes de potência, como MOSFETs e drivers, geram calor que precisa ser dissipado da placa rapidamente. A dissipação de calor é feita por meio de vias térmicas, áreas de cobre e, em alguns casos, um substrato metálico. Além disso, as juntas de solda dos dispositivos de potência devem ser suficientemente resistentes para suportar ciclos térmicos sem rachar.

 

Uma placa de circuito impresso (PCBA) para controle de motor que não passa por esse processo irá deteriorar-se silenciosamente, ciclo térmico após ciclo térmico, até que uma das juntas se rompa. Nesse ponto, seria difícil distinguir entre um retorno de campo aleatório e um defeito de projeto.

 

Manter a comutação de energia longe de sinais sensíveis.

 

As transições rápidas na seção de potência emitem ruído elétrico que pode afetar a medição de corrente através do sensor de corrente ou do sinal de entrada do encoder. O posicionamento correto garante que os caminhos de comutação e os caminhos de detecção analógica sejam mantidos separados e que os caminhos de acionamento do gate sejam os mais curtos possíveis.

 

Isso não seria aparente ao realizar um teste em bancada com carga leve, mas só ficará claro quando o motor começar a girar com uma carga de torque.

 

Preparando uma placa de circuito impresso para controle de motor visando uma fabricação confiável.

 

Antes mesmo de um único componente chegar a uma máquina de pick-and-place, uma série de decisões de projeto e revisão determina o quão bem-sucedida será a fabricação da placa de circuito impresso (PCB) para controle de motores.

 

Considerações sobre PCB e empilhamento

 

Algumas considerações sobre a estrutura das camadas na fabricação de PCBs para controladores de motores podem incluir o uso de uma camada espessa de cobre no plano de alimentação e planos separados para os circuitos de retorno do acionamento do gate. O número de camadas utilizadas e a espessura do cobre devem ser baseados nos requisitos elétricos, térmicos, mecânicos e de isolamento que a placa enfrentará em serviço, e não em condições de teste em bancada.

 

Revisão de componentes e lista de materiais

 

Ao analisar a lista de materiais de uma placa de controle de motor, deve-se identificar qualquer componente com capacidade de corrente e/ou tensão marginalmente baixa em relação à aplicação. Circuitos de acionamento de gate, MOSFETs e resistores de detecção de corrente devem ter margem suficiente para suportar picos transitórios.

 

Projeto para Montagem e Teste

 

Testar os sinais de porta, a detecção de corrente e os barramentos de tensão importantes economiza uma quantidade incrível de tempo durante os testes de inicialização e de produção. Um projeto sem esses pontos exige a sondagem direta dos contatos de passo fino, o que torna o teste de cada unidade que sai da linha de montagem extremamente lento.

 

Processo de montagem da placa de circuito impresso de controle do motor

 

Os processos de montagem padrão para PCBs continuam relevantes, embora cada etapa tenha importância adicional considerando que a placa que está sendo montada é um controlador de motor, e ignorar esse fato é o que faz um processo geral perder sua importância neste caso específico.

 

Pasta de solda, posicionamento SMT e refluxo

 

O volume de pasta de solda é particularmente importante na montagem de uma placa de circuito impresso para controle de motores quando os MOSFETs de potência utilizam pads térmicos expostos, pois esses pads requerem cobertura de solda adequada para uma condução de calor eficaz. Se isso não for controlado adequadamente durante o projeto do estêncil e a refusão, podem ocorrer vazios excessivos, reduzindo a transferência de calor e potencialmente criando pontos quentes localizados sob o dispositivo.

 

Montagem de componentes com orifícios passantes e tecnologia mista

 

Alguns conectores de alta corrente, capacitores grandes e indutores podem utilizar montagem por orifícios passantes em vez de montagem em superfície, pois esses componentes precisam suportar tensões mecânicas que as trilhas de montagem em superfície sozinhas não conseguem suportar. Para a montagem de PCBs de controladores de motores com tecnologias mistas, existe uma sequência de processos de soldagem por refluxo e por onda ou seletiva que protege os componentes sensíveis ao calor montados na PCB.

 

Limpeza, proteção e rastreabilidade

 

Resíduos de fluxo próximos a trilhas de alta tensão atuam como vias de fuga quando há umidade, tornando a limpeza ainda mais importante nesse caso em comparação com placas lógicas de baixa tensão. Revestimentos conformais são aplicados em muitos projetos de montagem de placas de controle de motores para proteção contra umidade e poeira.

 

O código do lote e o código do lote do componente são igualmente importantes, pois o rastreamento da falha em campo precisa ser feito até o lote de produção e o lote do componente.

 

Inspeção e teste de placas de circuito impresso para controle de motores

 

Os testes de PCBA para controle de motores devem incluir muito mais do que uma simples avaliação de continuidade, pois uma placa que apresente resultados satisfatórios em relação às propriedades elétricas básicas pode muito bem falhar quando colocada em uso real.

 

Inspeção SPI, AOI e por Raios X

 

A inspeção da pasta de solda ajuda a detectar problemas de quantidade de pasta antes da refusão, e a inspeção óptica automatizada detecta componentes desalinhados ou ausentes, geralmente após a refusão. A inspeção por raios X desempenha um papel significativo em componentes de potência com pads térmicos ocultos, já que a inspeção visual não consegue verificar se a junta de solda está íntegra.

Testes e Programação Elétrica

 

Os testes em circuito podem detectar circuitos abertos, curtos-circuitos, valores incorretos de componentes e outras falhas de montagem nos circuitos de acionamento do gate e de detecção de corrente antes do carregamento do firmware. Os testes na placa de circuito impresso do controlador do motor, neste ponto, podem identificar problemas de fiação e componentes antes de tentar girar o motor.

 

Além disso, os testes em placas de circuito impresso de controladores de motores não se limitam à detecção de problemas de continuidade. Durante os testes com o circuito energizado ou em funcionamento, os técnicos podem verificar se os limites de proteção são acionados quando deveriam, pois o comportamento adequado da proteção é essencial para o circuito.

 

Testes funcionais e de carga

 

Testes funcionais de PCBA Os testes devem ser realizados utilizando a placa com um motor real ou uma carga realista na forma de um dispositivo eletrônico que se comporte como um motor, em vez de depender de uma carga resistiva fictícia. A montagem da placa de circuito impresso para controladores de motor deve incluir verificações de aspectos como limitação de corrente, aceleração gradual e comportamento em caso de travamento.

 

Essas são as condições que diferenciam um bom projeto de um que funciona apenas no papel, e são exatamente o tipo de condições que passariam despercebidas em um teste funcional genérico.

 

Adequar a estratégia de montagem à aplicação

 

Os controladores de motores para pequenos ventiladores têm especificações completamente diferentes dos controladores para motores de tração em veículos elétricos; consequentemente, a escolha correta da estratégia de montagem dependerá dessas especificações.

 

Ao escolher um fabricante de PCBs para controle de motores, o OEM deve certificar-se de que a empresa tenha experiência com projetos de PCBs de alta corrente e possa garantir a testabilidade dos circuitos de proteção, e não apenas a capacidade de montagem em superfície (SMT). Os fabricantes que divulgam seus processos de fabricação de PCBs para estágios de potência geralmente identificam problemas que as oficinas de PCBs em geral jamais perceberiam.

 

PC Basic Oferece suporte a projetos de montagem de PCBs para controle de motores, incluindo revisão de DFM (Design for Manufacturing), considerações de projeto térmico e testes funcionais com base em requisitos específicos do projeto.

 

Conclusão

 

O sucesso ou fracasso de uma placa de circuito impresso (PCB) para controle de motor ocorre muito antes de o produto chegar aos clientes, com base nas decisões tomadas meses antes em relação à espessura do cobre, ao projeto térmico e aos testes realizados.

 

Tomar as decisões certas desde o início pode economizar muito dinheiro em comparação com a correção de problemas posteriores. Se você busca um parceiro de fabricação que entenda que a montagem de placas de circuito impresso para controle de motores é uma disciplina à parte, e não apenas uma montagem padrão de PCBA, a PCBasic terá prazer em conversar com você.

 

Perguntas Frequentes

 

P1: O que é uma placa de circuito impresso (PCB) para controle de motor?

 

Trata-se de um conjunto de placas de circuito impresso projetado para acionar e controlar o funcionamento de um motor elétrico em uma única placa.

 

P2: Por que uma placa de circuito impresso (PCB) para controle de motor precisa de um projeto térmico mais complexo do que uma placa de circuito impresso montada (PCBA) padrão?

 

Os componentes das placas controladoras de motores energizadas geram calor quando submetidos a carga; portanto, são necessários furos de passagem térmicos, preenchimento de cobre e até mesmo alguns substratos com núcleo metálico para manter a temperatura dos componentes e das juntas de solda dentro do limite nominal.

 

Q3: Qual a diferença entre uma placa de circuito impresso (PCB) para driver de motor e uma placa de circuito impresso (PCB) para controle de motor?

 

Uma placa de driver de motor normalmente inclui apenas o estágio de comutação, enquanto uma placa controladora de motor inclui circuitos adicionais necessários para o controle em malha fechada.

 

Q4: Como os testes para uma placa de circuito impresso de controle de motor diferem em comparação com uma placa típica?

 

Os testes devem ir além da simples verificação de continuidade; eles devem ser capazes de verificar características de desempenho em situações reais, como limitação de corrente, controle de velocidade e resposta de proteção enquanto o motor está sob carga.

 

Q5: O que um fabricante de equipamentos originais (OEM) deve procurar em um fabricante de placas de circuito impresso para controle de motores?

 

Procure por experiência em projetos de alta corrente, dissipação de calor e testes funcionais sob carga, pois esses fatores afetam diretamente o desempenho da placa em seu ambiente.