Considerações de projeto de PCB BMS para montagem e fabricação

Considerações sobre o projeto da placa de circuito impresso do BMS Para montagem e fabricação, nosso foco é transformar um esquema de gerenciamento de bateria em uma placa que possa ser fabricada, montada, inspecionada e transferida para a produção. A Highleap Electronics é uma empresa de fabricação e montagem de PCBs. Fabricamos e montamos placas a partir de arquivos aprovados pelo cliente; não detemos o projeto completo do sistema de bateria, o firmware, a estratégia de segurança ou a certificação do produto.

Uma placa BMS geralmente combina sensores de baixo nível, separação de alta tensão, circuitos de proteção, comunicação, monitoramento térmico, conectores e, às vezes, caminhos de alta corrente. As escolhas de projeto feitas antes da fabricação podem afetar significativamente o rendimento da montagem, o acesso para testes, a repetibilidade a longo prazo e o custo de produção. Esta página fornece orientações focadas na fabricação para engenheiros que preparam arquivos de PCB e PCBA de BMS para orçamentos e produção.

Para serviço de montagem, consulte Serviços de montagem de PCBs BMSPara circuitos de cobre de alta corrente e configurações térmicas, consulte montagem de PCB de cobre grosso.

Objetivos de projeto de PCB do BMS para montagem confiável

Layout de fabricação a partir da primeira revisão.

Uma placa de circuito impresso (PCB) para um sistema de gerenciamento de bateria (BMS) deve ser projetada de forma que a fabricação, a montagem, a inspeção e o acesso para testes sejam práticos. Isso significa espaçamento adequado entre os componentes, orientação estável dos conectores, distribuição controlada de cobre, pontos de teste definidos, marcações de polaridade visíveis e acesso realista para soldagem. Uma revisão prévia do projeto para fabricação (DFM) pode evitar problemas como pads inacessíveis, marcações pouco claras do pino 1, áreas de exclusão de revestimento impossíveis de serem aplicadas ou posicionamento de conectores que conflitem com o gabinete.

Propriedade do projeto e suporte à fabricação

O dono do produto define o comportamento do sistema de baterias, os limites de segurança, o firmware, os requisitos funcionais e a estratégia de conformidade. A Highleap oferece suporte à revisão de fabricação e montagem do ponto de vista da manufatura. O fluxo de trabalho mais produtivo consiste em fornecer à Highleap os arquivos de projeto, a configuração dos componentes, a lista de materiais (BOM), o desenho de montagem e as áreas de risco conhecidas antes da primeira produção. Isso permite identificar problemas de fabricação antes que o material seja encomendado.

Layout do caminho atual, linha de detecção e aterramento

Clareza do caminho atual

Os caminhos de alta corrente devem ser facilmente identificáveis ​​nos arquivos da placa de circuito impresso e nas notas de fabricação. A largura e a espessura do cobre, os arranjos de vias, os terminais, os shunts e as áreas de dissipação de calor devem ser compatíveis com a corrente e o aumento de temperatura previstos. A capacidade de corrente depende de mais fatores do que apenas a largura da trilha; a espessura do cobre, a posição da camada, os planos de cobre, o fluxo de ar, o material da placa e o ambiente também são importantes. O cliente deve validar o desempenho de corrente e térmico no nível do produto.

Proteção da linha Sense

As linhas de detecção de tensão e os caminhos de medição de corrente devem evitar acoplamento de ruído desnecessário, conectores mal definidos e aterramento inadequado. Do ponto de vista da fabricação, a lista de materiais (BOM) deve identificar claramente os componentes de precisão e as peças que não devem ser substituídas. Os pontos de teste devem ser posicionados onde a inspeção e a depuração possam ser realizadas sem danificar o conjunto. Se a detecção Kelvin for utilizada, o layout deve preservar a conexão de medição pretendida.

disciplina de aterramento e caminho de retorno

As placas BMS podem incluir terra analógica, terra de alimentação, terra de comunicação e referências de chassi ou blindagem. Essas são decisões de projeto, mas os arquivos de fabricação devem tornar visíveis os recursos relacionados ao terra. Os pads de montagem, furos metalizados, áreas de contato da blindagem e pontos de conexão do chassi devem ser definidos. Se um furo de parafuso for destinado a ser um terra funcional, o acabamento, a folga, a área da arruela e os requisitos de montagem devem ser especificados.

Planejamento de Rastejamento, Desobstrução e Isolamento

Regras de espaçamento baseadas nos requisitos do produto

As placas BMS usadas em sistemas de baterias de alta tensão exigem distâncias de fuga e espaçamento definidos. Os valores necessários dependem da tensão, do ambiente, do grau de poluição, do grupo de materiais, do revestimento, dos requisitos das normas e da arquitetura do produto. A Highleap pode fabricar ranhuras, áreas de exclusão e espaçamentos de cobre de acordo com o desenho, mas os valores devem ser definidos pelo cliente ou pela autoridade de projeto.

Componentes de isolamento e seleção de embalagens

Optoacopladores, isoladores digitais, módulos CC-CC isolados e amplificadores de isolamento devem atender aos requisitos de desempenho de isolamento e espaçamento de encapsulamento. Alterações no encapsulamento podem afetar a distância de fuga e a área ocupada. Alternativas aprovadas devem ser cuidadosamente controladas. Uma peça substituta com função elétrica semelhante, mas com geometria de encapsulamento diferente, pode não ser aceitável para o produto final.

Ranhuras e reentrâncias para acesso à montagem

Os rasgos e as áreas de exclusão devem ser compatíveis com a montagem e a inspeção. Evite posicionar componentes pequenos muito próximos a rasgos fresados, onde a qualidade da borda ou a definição da máscara de solda podem ser comprometidas. Mantenha os pontos de teste e as ilhas de programação fora das zonas de exclusão de revestimento ou isolamento quando precisarem permanecer acessíveis após a montagem.

Projeto térmico em torno de componentes de potência

Fontes de calor nas placas BMS

O balanceamento de resistores, MOSFETs, reguladores, shunts, circuitos de pré-carga, relés e conectores pode gerar calor. O layout deve prever área de cobre, estrutura de vias e espaçamento suficientes para as condições de operação previstas. Os componentes não devem ser agrupados em áreas onde a soldagem, a inspeção ou a dissipação de calor se tornem inviáveis. Simulações térmicas ou testes em nível de produto podem ser necessários para projetos de alta potência.

Impacto da montagem no desempenho térmico

A cobertura da pasta de solda, a presença de vazios, o posicionamento dos componentes e o perfil de refluxo podem afetar o caminho do calor. Pads térmicos expostos exigem um projeto de estêncil e uma estratégia de vias que evitem vazios excessivos ou o espalhamento de solda por capilaridade. Se um componente se conectar a um dissipador de calor ou placa metálica, a interface mecânica deve ser definida no desenho de montagem.

Planejamento de cobre de alta corrente

Se a placa BMS transportar corrente substancial, podem ser necessárias áreas com cobre espesso ou extensas. O cobre espesso aumenta a complexidade de fabricação e pode afetar a montagem de componentes com espaçamento fino nas proximidades. Os projetistas devem evitar misturar componentes com cobre muito espesso e circuitos analógicos delicados sem antes avaliar os efeitos da soldagem e do espaçamento. Para opções de construção de alta corrente, consulte montagem de PCB de cobre grosso.

Projeto de conectores, chicotes e interfaces mecânicas

Orientação e capacidade de manutenção do conector

As placas de gerenciamento de baterias geralmente dependem de conectores para derivações de células, comunicação, sensores de temperatura, alimentação, programação e diagnóstico. O projeto deve mostrar a orientação do conector, a direção da trava, o pino 1, o encaixe e os detalhes do chicote de fios. Se a placa for instalada em um gabinete ou módulo de bateria, o posicionamento do conector deve permitir o acesso sem dobrar o chicote de fios ou tensionar as juntas de solda.

Consistência na pinagem do chicote

O diagrama de pinagem dos conectores da placa de circuito impresso (PCB) e o diagrama do chicote de fios devem corresponder. Incompatibilidades na pinagem podem ser dispendiosas, pois tanto a PCB quanto o chicote de fios podem passar na inspeção inicial, mas falhar durante a integração do sistema. Utilize etiquetas claras, referências aos conectores e controle de versão tanto no desenho da PCB quanto no desenho do chicote de fios.

Características de montagem mecânica e aterramento

Os furos de montagem, furos metalizados, pontos de aterramento, espaçadores metálicos e contatos do chassi devem ser definidos no desenho mecânico. Se um furo de montagem não for metalizado, isso deve ser especificado. Se for usado para aterramento, a área de contato do cobre, o acabamento, a área da arruela e o torque ou os requisitos de fixação devem ser especificados. A tensão mecânica não deve ser transferida para juntas de solda frágeis ou trilhas finas.

Verificações DFM e DFA para placas BMS

Pontos DFM de fabricação

• A quantidade de cobre empilhado, a espessura da camada de cobre, a espessura da placa e o acabamento da superfície correspondem ao desenho.
• O espaçamento de alta tensão, as ranhuras e as áreas de exclusão são definidos com dimensões mensuráveis.
• É possível fabricar condutores de cobre espessos, matrizes de vias e almofadas térmicas.
• Os pontos de teste, os pads de programação e os pads de conexão não são bloqueados pelas notas de revestimento.
• O contorno da placa e os furos de montagem correspondem aos requisitos da caixa.

Pontos de montagem DFA

• As marcações de polaridade são claras para diodos, circuitos integrados, capacitores, optoacopladores e conectores.
• Componentes grandes possuem espaço suficiente e acesso adequado para soldagem.
• Componentes com espaçamento fino não ficam muito próximos de conectores altos ou arestas mecânicas.
• Na figura, são visíveis as áreas de exclusão de revestimento, as etiquetas e as áreas de inspeção.
• As peças críticas consignadas são etiquetadas e embaladas para uso na produção.

Problemas comuns de lançamento

Planejamento de Pontos de Teste e Interfaces de Programação

Pontos de teste acessíveis

Os pontos de teste devem ser posicionados em locais onde as sondas possam acessá-los após a montagem. Evite posicionar pontos de teste críticos sob conectores, sob componentes altos, dentro de zonas de revestimento ou muito próximos às bordas da placa. Os pontos de teste devem ser identificados de forma consistente e vinculados ao procedimento de teste do cliente. Se houver planos para testes automatizados, o tamanho dos pontos de teste, o espaçamento e o acesso aos dispositivos de fixação devem ser revisados ​​antecipadamente.

Design de interface de programação

Os pontos de programação ou conectores devem ser acessíveis e protegidos contra curto-circuito acidental. O projeto deve definir a tensão de programação, o tipo de interface, a orientação, o controle da versão do firmware e o método de confirmação. Se a programação não for feita pela Highleap, a embalagem do produto deve indicar que as placas são fornecidas sem programação.

Documentação de teste de produção

Os limites e registros dos testes devem ser definidos antes da produção. Para protótipos, o feedback informal da equipe de engenharia pode ser suficiente. Para a produção, um procedimento de teste claro, com critérios de aprovação/reprovação, versão do firmware, etiqueta com número de série e formato de registro, é mais confiável. A Highleap pode seguir os procedimentos fornecidos pelo cliente quando estes estiverem incluídos no escopo de produção acordado.

Notas e perguntas frequentes sobre a solicitação de cotação (RFQ) do projeto à montagem.

Notas da solicitação de cotação para o lançamento do projeto BMS

• Arquivos da placa de circuito impresso (PCB), estrutura de camadas, espessura do cobre e acabamento da superfície.
• Lista de materiais (BOM) com MPNs exatos e alternativas aprovadas.
• Desenho de montagem com informações sobre polaridade, orientação dos conectores e revestimento.
• Requisitos de espaçamento, ranhura e área de exclusão para alta tensão.
• Caminho atual, vias térmicas e requisitos de cobre espesso.
• Desenhos de conectores, chicotes elétricos e interfaces mecânicas.
• Procedimento de programação e requisitos de teste funcional, se aplicável.
• Requisitos de embalagem, rastreabilidade e registro de produção.

Links internos para planejamento de produção

Para serviço de montagem, consulte Montagem de PCB BMSPara revisão de NPI antes do lançamento, consulte Revisão de DFM de NPI. Para transferência de protótipo, consulte Protótipo para PCBA de produção.