В основе систем управления промышленными роботами печатная плата силового привода играет критически важную роль. Она должна не только точно управлять силовыми устройствами IGBT или GaN, но и обеспечивать абсолютную надежность и безопасность в суровых промышленных условиях. Для успешной разработки такого высокопроизводительного продукта необходим структурированный и систематический процесс внедрения нового продукта (NPI). Эта статья, с точки зрения инженера по силовым приводам, углубляется в ключевые технические проблемы и стратегии валидации этапов NPI EVT/DVT/PVT при разработке печатных плат управления промышленными роботами.
Управление затвором IGBT/GaN: Фиксация Миллера и валидация целостности управления на этапах NPI
Схема управления затвором является "нервной системой" силовых полупроводников, и ее производительность напрямую определяет скорость переключения, потери и электромагнитные помехи (EMI). На ранних этапах NPI EVT/DVT/PVT, в частности на этапе инженерного верификационного тестирования (EVT), нашей основной задачей является обеспечение фундаментальной функциональности управления затвором.
Это включает:
- Подавление эффекта Миллера: Предотвращение паразитного включения при высоком dv/dt с помощью тщательно разработанного выходного каскада типа "тотемный столб" и отключения отрицательным напряжением.
- Выбор затворного резистора (Rg): Балансировка скорости переключения и перерегулирования напряжения. Во время EVT тестируются несколько значений Rg для определения оптимального кандидата.
- Стабильность питания привода: Способность источника питания привода к переходным процессам должна быть достаточно надежной, чтобы избежать провалов напряжения во время переключения, которые могут ухудшить производительность привода.
На этапе EVT мы используем услуги сборки прототипов для быстрой итерации дизайна. Предварительная функциональная проверка может быть выполнена с помощью тестов летающего зонда, которые быстро проверяют наличие обрывов/коротких замыканий и базовых соединений компонентов без дорогостоящих приспособлений, значительно ускоряя отладку на ранних стадиях. При переходе к этапу верификационного тестирования конструкции (DVT) мы проводим стресс-тесты приводной цепи при полной мощности и экстремальных температурах для обеспечения стабильности и надежности во всех рабочих условиях.
Защита от насыщения (DESAT): Тестирование критических функций безопасности на этапах EVT/DVT
Защита от насыщения (DESAT) является основным механизмом защиты от короткого замыкания в устройствах IGBT и GaN. Она отслеживает падение напряжения проводимости (Vce(sat) или Vds(on)) для обнаружения событий перегрузки по току или короткого замыкания. В процессе NPI EVT/DVT/PVT проверка функции DESAT является главным приоритетом.
- Этап EVT: Убедитесь, что порог срабатывания и время отклика цепи DESAT соответствуют проектным спецификациям. Это обычно делается в контролируемой лабораторной среде путем искусственного создания коротких замыканий.
- Фаза DVT: Многократно запускать защиту DESAT при различных температурах, напряжениях шины и условиях нагрузки для проверки ее надежности. Дополнительно тестировать надежность передачи сигналов неисправности, логики плавного отключения и механизмов сброса.
Для эффективного и последовательного выполнения этих тестов во время DVT и последующих Производственных Валидационных Испытаний (PVT) крайне важно отличное решение по проектированию оснастки (ICT/FCT). Индивидуальные функциональные тестовые оснастки (FCT) могут имитировать различные условия неисправности, автоматически выполнять тестовые последовательности и записывать данные, обеспечивая безупречную функциональность защиты безопасности в каждой единице продукта.
Сравнение ключевых областей тестирования на этапах NPI
| Фаза | Основная цель | Ключевые методы тестирования |
|---|---|---|
| EVT (Инженерная верификация) | Проверка базовой конструкции и функциональной осуществимости | Ручная отладка, тест летающим зондом |
| DVT (Верификация проекта) | Проверка производительности, надежности и адаптивности к окружающей среде | Экологические испытания, стресс-тестирование, ЭМС-тестирование |
| PVT (Верификация производства) | Проверка стабильности и согласованности производственного процесса | Разработка оснастки (ICT/FCT), инспекция SPI/AOI/рентгеновская |
Поглощение и буферизация: компромиссы и компоновка RC/DV/TVS
В момент выключения силовых устройств, из-за наличия паразитной индуктивности, генерируются интенсивные скачки напряжения (перерегулирование). Это не только угрожает безопасности самого устройства, но и является основным источником ЭМП. Разработка демпфирующей цепи является распространенным методом подавления таких скачков. На этапе DVT мы систематически оцениваем эффективность различных демпфирующих решений (например, RC, RCD, TVS-ограничение). Это не просто вопрос выбора компонентов, но, что более важно, компоновки печатной платы. Демпфирующая петля должна быть максимально компактной, расположенной близко к выводам силового устройства для минимизации паразитной индуктивности. Для цепей, работающих с высокими токами, выбор печатных плат с толстым слоем меди (Heavy Copper PCB) может эффективно снизить индуктивность и сопротивление силового тракта.
Для обеспечения качества пайки этих критически важных компонентов, особенно в плотных компоновках, инспекция SPI/AOI/рентгеновская инспекция (инспекция паяльной пасты/автоматическая оптическая инспекция/рентгеновская инспекция) является важной мерой контроля качества. Рентгеновская инспекция может обнаружить пустоты в пайке или перемычки под корпусами BGA или QFN, которые являются фатальными дефектами в высокомощных приложениях.
Измерение тока: шунт/датчик Холла и целостность слабого сигнала
Точное и быстрое измерение тока является основой для достижения высокопроизводительного управления двигателем (например, FOC). Независимо от того, используются ли шунтирующие резисторы или датчики Холла, передача слабых аналоговых сигналов на АЦП без искажений в условиях сильных электромагнитных помех является серьезной проблемой. Весь процесс NPI EVT/DVT/PVT должен быть сосредоточен на целостности сигнала при выборке тока:
- Разводка: Дифференциальная трассировка, соединения Кельвина и удаление от источников шума (например, коммутационных узлов) являются фундаментальными принципами.
- Фильтрация: Разработка соответствующего низкочастотного фильтра для устранения высокочастотного шума при обеспечении достаточной полосы пропускания для удовлетворения требований контура управления.
- Усиление: Коэффициент подавления синфазного сигнала (CMRR), напряжение смещения и полоса пропускания операционного усилителя напрямую влияют на точность выборки.
Для конструкций, включающих как SMT, так и сквозные компоненты (например, большие шунтирующие резисторы или разъемы), селективная пайка волной является эффективным процессом пайки. На этапе PVT мы тщательно проверяем параметры этого процесса, чтобы убедиться, что он не вызывает тепловых повреждений близлежащих чувствительных компонентов и гарантирует долгосрочную надежность паяных соединений.
Ключевые моменты для валидации производства и сборки
- Стабильность процесса: Убедитесь, что окна параметров процесса (например, пайка оплавлением, селективная волновая пайка) достаточно широки, чтобы учитывать нормальные колебания в массовом производстве.
- Покрытие тестов: Достигните максимально возможного покрытия тестов с помощью разработки оснастки (ICT/FCT) и инспекции SPI/AOI/рентгеновского контроля для раннего выявления потенциальных дефектов.
- Защита окружающей среды: Для роботов, работающих в суровых условиях, проверьте процессы заливки/герметизации, чтобы обеспечить защиту от влаги, вибрации и химической коррозии.
- Прослеживаемость: Создайте комплексную систему прослеживаемости производственных данных, связывающую тестовые данные с серийными номерами продуктов - критически важная задача на этапе PVT.
Изоляция и пути утечки/воздушные зазоры: Надежная конструкция для высоких dV/dt
В платах драйверов мощности надежная электрическая изоляция между высоковольтной стороной и низковольтной (управляющей) стороной имеет решающее значение. Это не только требование безопасности, но и ключ к обеспечению стабильной работы системы управления в условиях высокого синфазного шума. Конструкции должны строго соответствовать стандартам путей утечки и воздушных зазоров (например, IEC 61800-5-1). Для проектирования печатных плат сопротивление изоляции может быть улучшено за счет прорезания пазов или использования материалов для печатных плат с высоким Tg. Во время DVT проводятся строгие высоковольтные (Hi-pot) и импульсные испытания напряжением для проверки надежности изоляционного барьера.
На этапе PVT критически важной становится стабильность производства. Например, хотя заливка/герметизация значительно улучшает устойчивость к воздействию окружающей среды, неправильное применение может привести к образованию пузырьков в областях изоляционного барьера, что снижает производительность. Таким образом, строгая проверка процесса и рентгеновский контроль на наличие внутренних дефектов являются обязательными. HILPCB предлагает комплексные услуги от проектирования до сборки под ключ, гарантируя, что каждый этап производства соответствует высоким требованиям надежности.
Заключение: Построение превосходства через процессы NPI EVT/DVT/PVT
Разработка печатных плат для управления промышленными роботами - это сложная междисциплинарная задача. От переходной характеристики драйвера затвора до реакций защитных цепей на наносекундном уровне и точности изготовления на микронном уровне - каждый шаг представляет собой вызов. Строгий процесс NPI EVT/DVT/PVT является единственным мостом, соединяющим концепции дизайна с надежными продуктами. Используя тест летающим зондом на этапе EVT для быстрой проверки проектов, улучшая производительность продукта посредством тщательного тестирования на этапе DVT и, наконец, укрепляя производственные процессы с помощью разработки оснастки (ICT/FCT) и инспекции SPI/AOI/рентген на этапе PVT, мы гарантируем, что каждая печатная плата, поставляемая клиентам, обладает исключительной производительностью и абсолютной надежностью. Для устройств, требующих длительной эксплуатации в суровых условиях, проверенный процесс заливки/герметизации дополнительно повышает долговечность. В HILPCB, благодаря нашему глубокому инженерному опыту и передовым производственным возможностям, мы стремимся помочь клиентам успешно пройти весь цикл NPI EVT/DVT/PVT и совместно разработать следующее поколение высокопроизводительных промышленных роботов.