Considerazioni di progettazione del PCB del BMS per l'assemblaggio e la produzione

Le considerazioni di progettazione dei PCB per i sistemi di gestione della batteria (BMS) in fase di assemblaggio e produzione si concentrano sulla trasformazione di uno schema di gestione della batteria in una scheda che possa essere fabbricata, assemblata, ispezionata e trasferita alla produzione. Highleap Electronics è un'azienda specializzata nella produzione e nell'assemblaggio di PCB. Produciamo e assembliamo schede a partire da file approvati dal cliente; non siamo proprietari dell'intero progetto del sistema batteria, del firmware, della strategia di sicurezza o della certificazione del prodotto.

Una scheda BMS spesso integra rilevamento a basso livello, separazione ad alta tensione, circuiti di protezione, comunicazione, monitoraggio termico, connettori e talvolta percorsi ad alta corrente. Le scelte progettuali effettuate prima della fabbricazione possono influenzare notevolmente la resa di assemblaggio, l'accessibilità per i test, la ripetibilità a lungo termine e i costi di produzione. Questa pagina fornisce indicazioni specifiche per la produzione, rivolte agli ingegneri che preparano i file PCB e PCBA per BMS in vista di preventivi e produzione.

Per il servizio di assemblaggio, consultare i servizi di assemblaggio PCB di BMS . Per circuiti stampati in rame ad alta corrente e per applicazioni termiche, consultare la sezione relativa all'assemblaggio di circuiti stampati in rame pesante.

Obiettivi di progettazione del PCB del BMS per un assemblaggio affidabile

Layout producibile fin dalla prima revisione

Un PCB per BMS deve essere progettato in modo da rendere agevoli le fasi di fabbricazione, assemblaggio, ispezione e collaudo. Ciò significa spaziatura chiara dei componenti, orientamento stabile dei connettori, distribuzione controllata del rame, punti di test definiti, marcature di polarità visibili e accesso realistico per la saldatura. Una revisione DFM (Design for Manufacturing) preliminare può prevenire problemi quali piazzole inaccessibili, marcature poco chiare del pin 1, aree di esclusione del rivestimento impossibili da realizzare o posizionamento dei connettori incompatibile con l'involucro.

Gestione della progettazione e supporto alla produzione

Il responsabile del prodotto definisce il comportamento del sistema batteria, le soglie di sicurezza, il firmware, i requisiti funzionali e la strategia di conformità. Highleap supporta la revisione della fabbricazione e dell'assemblaggio dal lato della produzione. Il flusso di lavoro più produttivo prevede di fornire a Highleap i file di progettazione, la stratificazione, la distinta base, il disegno di assemblaggio e le aree di rischio note prima della prima produzione. Ciò consente di identificare i problemi di producibilità prima di ordinare il materiale.

Percorso corrente, linea di senso e schema di messa a terra

Chiarezza del percorso attuale

I percorsi ad alta corrente dovrebbero essere facilmente identificabili nei file del PCB e nelle note di fabbricazione. La larghezza del rame, il peso del rame, gli array di via, i terminali, gli shunt e le aree di dissipazione del calore devono essere compatibili con la corrente e l'aumento di temperatura previsti. La capacità di corrente dipende da più fattori oltre alla larghezza della traccia; anche lo spessore del rame, la posizione dello strato, i piani di rame, il flusso d'aria, il materiale del circuito stampato e l'ambiente sono importanti. Il cliente dovrebbe convalidare le prestazioni di corrente e termiche a livello di prodotto.

Protezione della linea di rilevamento

Le linee di rilevamento della tensione e i percorsi di misurazione della corrente devono evitare accoppiamenti di rumore non necessari, una definizione inadeguata dei connettori e una messa a terra poco chiara. Dal punto di vista della produzione, la distinta base (BOM) deve identificare chiaramente i componenti di precisione e le parti non sostituibili. I punti di test devono essere posizionati in modo da consentire l'ispezione e il debug senza danneggiare l'assemblaggio. Se si utilizza la misurazione Kelvin, il layout deve preservare la connessione di misurazione prevista.

Disciplina di radicamento e di ritorno

Le schede BMS possono includere masse analogiche, masse di alimentazione, masse di comunicazione e riferimenti al telaio o alla schermatura. Si tratta di decisioni di progettazione, ma i file di produzione devono rendere visibili le caratteristiche relative alla massa. Devono essere definiti i pad di montaggio, i fori metallizzati, le aree di contatto della schermatura e i punti di connessione al telaio. Se un foro per vite è destinato a fungere da massa funzionale, devono essere specificati la finitura, la distanza, l'area della rondella e i requisiti di assemblaggio.

Pianificazione di scorrimento, sgombero e isolamento

Regole di spaziatura basate sui requisiti del prodotto

Le schede BMS utilizzate nei sistemi di batterie ad alta tensione richiedono distanze di isolamento superficiale e verticale ben definite. I valori richiesti dipendono dalla tensione, dall'ambiente, dal grado di inquinamento, dal gruppo di materiali, dal rivestimento, dai requisiti standard e dall'architettura del prodotto. Highleap può realizzare scanalature, spazi di esclusione e distanze di isolamento del rame secondo il disegno, ma i valori devono essere definiti dal cliente o dal responsabile della progettazione.

Componenti di isolamento e selezione del pacchetto

Gli optoaccoppiatori, gli isolatori digitali, i moduli DC-DC isolati e gli amplificatori di isolamento devono soddisfare i requisiti di prestazione di isolamento e di ingombro del contenitore. Le modifiche al contenitore possono influire sulla dispersione superficiale e sull'ingombro. Le alternative approvate devono essere attentamente controllate. Un componente sostitutivo con funzione elettrica simile ma geometria del contenitore diversa potrebbe non essere accettabile per il prodotto finale.

Fessure e aperture per l'accesso al montaggio

Le fessure e le aree di esclusione devono essere compatibili con l'assemblaggio e l'ispezione. Evitare di posizionare piccole parti troppo vicino alle fessure fresate, dove la qualità dei bordi o la definizione della maschera di saldatura potrebbero risultare problematiche. Mantenere i punti di test e i pad di programmazione al di fuori delle zone di esclusione di rivestimento o isolamento quando devono rimanere accessibili dopo l'assemblaggio.

Progettazione termica in funzione dei componenti di potenza

Fonti di calore sulle schede BMS

Il bilanciamento di resistori, MOSFET, regolatori, shunt, circuiti di precarica, relè e connettori può generare calore. Il layout deve prevedere una superficie di rame sufficiente, attraverso la struttura e la spaziatura dei via, per le condizioni operative previste. I componenti non devono essere ammassati in aree in cui la saldatura, l'ispezione o la dissipazione del calore risultano compromesse. Per i progetti ad alta potenza, potrebbe essere necessaria una simulazione termica o un test a livello di prodotto.

Impatto dell'assemblaggio sulle prestazioni termiche

La copertura della pasta saldante, la presenza di vuoti, il posizionamento dei componenti e il profilo di rifusione possono influenzare il percorso del calore. I pad termici esposti richiedono una progettazione dello stencil e una strategia di via che evitino un'eccessiva formazione di vuoti o la risalita capillare della saldatura. Se un componente si collega a un dissipatore di calore o a una piastra metallica, l'interfaccia meccanica deve essere definita nel disegno di assemblaggio.

pianificazione del rame ad alta corrente

Se la scheda BMS gestisce correnti elevate, potrebbero essere necessarie aree di rame spesse o ampie. L'utilizzo di rame spesso aumenta la complessità di produzione e può influire sull'assemblaggio di circuiti a passo fine nelle vicinanze. I progettisti dovrebbero evitare di combinare elementi con rame molto spesso e circuiti analogici delicati senza prima aver valutato gli effetti della saldatura e della spaziatura. Per le opzioni di costruzione ad alta corrente, consultare la sezione "Assemblaggio di PCB con rame spesso".

Progettazione di connettori, cablaggi e interfacce meccaniche

Orientamento e funzionalità del connettore

Le schede di gestione della batteria spesso dipendono da connettori per la derivazione delle celle, la comunicazione, i sensori di temperatura, l'alimentazione, la programmazione e la diagnostica. Il progetto deve indicare l'orientamento del connettore, la direzione di aggancio, il pin 1, la codifica e i dettagli del cablaggio di accoppiamento. Se la scheda verrà installata in un contenitore o in un modulo batteria, il posizionamento del connettore deve consentire l'accesso senza piegare il cablaggio o sollecitare eccessivamente le saldature.

Coerenza della piedinatura del cablaggio

La piedinatura del connettore del PCB e lo schema del cablaggio devono corrispondere. Le mancate corrispondenze nella piedinatura possono essere costose, poiché sia ​​il PCB che il cablaggio potrebbero superare i controlli interni, ma fallire durante l'integrazione del sistema. Utilizzare etichette chiare, riferimenti ai connettori e un sistema di controllo delle revisioni sia per lo schema del PCB che per quello del cablaggio.

Caratteristiche di montaggio meccanico e di messa a terra

Nel disegno meccanico devono essere definiti i fori di montaggio, i fori metallizzati, i pad di messa a terra, i distanziali metallici e i contatti del telaio. Se un foro di montaggio non è metallizzato, ciò deve essere chiaramente indicato. Se viene utilizzato per la messa a terra, devono essere specificati la superficie di rame, la finitura, l'area della rondella e la coppia di serraggio o i requisiti di bulloneria. Le sollecitazioni meccaniche non devono essere trasferite a giunzioni di saldatura fragili o piste sottili.

Verifiche DFM e DFA per schede BMS

Punti DFM di fabbricazione

• La sovrapposizione degli strati, il peso del rame, lo spessore della scheda e la finitura superficiale corrispondono al disegno.
• Le distanze, le fessure e le aree di esclusione per le alte tensioni sono definite con dimensioni misurabili.
• È possibile produrre rame di grosso spessore, array di via e pad termici.
• I punti di test, i pad di programmazione e i pad di connessione non sono ostruiti da note di rivestimento.
• Il profilo della scheda e i fori di montaggio corrispondono ai requisiti dell'involucro.

Punti di assemblea DFA

• Le indicazioni di polarità sono chiaramente visibili per diodi, circuiti integrati, condensatori, optoaccoppiatori e connettori.
• I componenti di grandi dimensioni dispongono di spazio sufficiente e di un accesso adeguato per la saldatura.
• I componenti a passo fine non sono troppo vicini a connettori alti o spigoli meccanici.
• Nel disegno sono visibili le aree da escludere dalla verniciatura, le etichette e le zone di ispezione.
• I componenti critici in conto deposito vengono etichettati e imballati per l'utilizzo in produzione.

Problemi comuni di rilascio

Pianificazione dei punti di test e dell'interfaccia di programmazione

Punti di prova accessibili

I punti di test devono essere posizionati in modo che le sonde possano accedervi dopo l'assemblaggio. Evitare di posizionare i pad di test critici sotto i connettori, sotto componenti di grandi dimensioni, all'interno delle zone di rivestimento o troppo vicino ai bordi del circuito stampato. I punti di test devono essere etichettati in modo coerente e collegati alla procedura di test del cliente. Se si prevede di eseguire test automatizzati, le dimensioni dei pad, la spaziatura e l'accessibilità al dispositivo di test devono essere valutate fin dalle prime fasi.

Progettazione dell'interfaccia di programmazione

I pad o i connettori di programmazione devono essere accessibili e protetti da cortocircuiti accidentali. Il progetto deve definire la tensione di programmazione, il tipo di interfaccia, l'orientamento, il controllo della versione del firmware e il metodo di conferma. Se la programmazione non viene eseguita da Highleap, la confezione di assemblaggio deve indicare che le schede vengono fornite non programmate.

Documentazione di prova di produzione

I limiti e le registrazioni dei test devono essere definiti prima della produzione. Per i prototipi, un feedback informale da parte del team di ingegneri può essere sufficiente. Per la produzione, una procedura di test chiara con criteri di superamento/fallimento, versione del firmware, etichetta del numero di serie e formato di registrazione risulta più affidabile. Highleap può seguire le procedure fornite dal cliente, purché siano incluse nell'ambito di sviluppo concordato.

Note e FAQ relative alla richiesta di offerta "Dalla progettazione all'assemblaggio"

Note sulla richiesta di offerta per la versione di progettazione del sistema BMS

• File PCB, stratificazione, spessore del rame e finitura superficiale.
• Distinta base con codici articolo del produttore (MPN) esatti e alternative approvate.
• Disegno di assemblaggio con indicazione della polarità, dell'orientamento del connettore e delle note relative al rivestimento.
• Requisiti relativi a spaziatura, fessura e esclusione per applicazioni ad alta tensione.
• Percorso corrente, vie termiche e requisiti elevati di rame.
• Disegni di connettori, cablaggi e interfacce meccaniche.
• Procedura di programmazione e requisiti per i test funzionali, se applicabili.
• Requisiti relativi a imballaggio, tracciabilità e documentazione di produzione.

Collegamenti interni per la pianificazione della produzione

Per il servizio di assemblaggio, vedere Assemblaggio PCB BMS . Per la revisione NPI prima del rilascio, vedere Revisione DFM NPI. Per il trasferimento del prototipo, vedere Da prototipo a PCBA di produzione.