Hoe kies je de juiste lithium-ion batterij voor consumentenelektronica?

Lithium-ion batterijen (oplaadbare batterijen) vormen de ruggengraat van veel van de apparaten die we dagelijks gebruiken, van smartphones tot laptops en drones. Binnen de familie van lithium-ion batterijen komen twee chemieën het vaakst voor in consumentenelektronica: lithium-polymeer (LiPo) en lithium-ijzerfosfaat (LiFePO4). Beide bieden aanzienlijke voordelen, maar hebben ook hun eigen beperkingen en veiligheidsrisico's die belangrijk zijn om te begrijpen bij het kiezen van de juiste batterij.

Bij LiPo-batterijen die meerdere cellen bevatten, is het essentieel om de cellen goed te balanceren. Dit betekent dat de spanning op elke cel gelijk moet zijn, zodat ze gelijkmatig ontladen worden. Als dit niet gebeurt, kan de batterij opzwellen, gas ontsnappen en zich ophopen, wat kan leiden tot gevaarlijke situaties. Als een LiPo-batterij opzwelt, moet je het gebruik onmiddellijk stoppen. Puffy LiPo's kunnen oververhit raken, zichzelf in brand steken en zelfs zelfoxideren, waardoor ze moeilijk te blussen zijn, zelfs niet met water.

Naast de traditionele LiPo-chemie is er ook de lithium-ijzerfosfaat (LiFePO4) batterij. Deze batterijen bieden een vergelijkbare energieopbrengst, maar zijn veel veiliger. Terwijl LiPo-batterijen kunnen vlam vatten bij kortsluiting, zijn LiFePO4-batterijen veel minder vatbaar voor brand bij beschadiging, zoals door perforatie of verplettering. Het nadeel van LiFePO4 is dat ze een lagere energiedichtheid hebben dan LiPo, waardoor ze iets groter en zwaarder zijn, en vaak ook duurder. Ze worden vooral gebruikt in toepassingen waar veiligheid een grotere rol speelt dan de energiecapaciteit, zoals in elektrische voertuigen en sommige grotere consumententoepassingen.

Een ander belangrijk aspect van lithium-batterijen is hun opslag en het opladen. Lithiumbatterijen dienen idealiter bij ongeveer 40% geladen te worden opgeslagen om hun levensduur te maximaliseren. Dit geldt ook voor batterijen in consumentenelektronica, die vaak bij een laadniveau tussen 40% en 70% worden verpakt en verzonden. Het is cruciaal om te voorkomen dat de spanning van een batterij onder de 2,0 V per cel daalt, omdat dit kan leiden tot permanente schade aan de batterij.

Veiligheidsmaatregelen bij het opladen van lithiumbatterijen zijn van groot belang. Veel moderne LiPo-batterijen zijn uitgerust met balanceringscircuits en temperatuursondes om ervoor te zorgen dat de cellen tijdens het opladen gelijkmatig worden geladen en dat oververhitting wordt voorkomen. Er bestaan ook goedkopere IC's voor het opladen van LiPo-batterijen, die de spanning en stroom naar de batterij kunnen aanpassen om zowel de levensduur te optimaliseren als de laadsnelheid te verhogen. Dergelijke IC's kunnen ook communiceren met externe opladers en ervoor zorgen dat de batterijen op een veilige manier worden opgeladen zonder de cellen te beschadigen.

Bij het kiezen van de juiste batterij is het belangrijk om niet alleen naar de kosten en de energiecapaciteit te kijken, maar ook naar de veiligheid, levensduur en het gebruiksgemak. Batterijen spelen een cruciale rol in het functioneren van consumentenelektronica, en de keuze van de juiste batterij kan het verschil maken tussen een betrouwbaar en veilig apparaat en een potentiële veiligheidsrisico. De keuze van de batterij moet niet alleen gebaseerd zijn op de technologische specificaties, maar ook op de lange termijn duurzaamheid en de veiligheid van de gebruiker.

Hoe Multidisciplinaire Samenwerking en Diepgaand Inzicht in PCB-Fysica de Ontwikkeling van Betrouwbare Producten Bevorderen

In het proces van het ontwerpen van elektronische systemen is het essentieel om verschillende disciplines te betrekken bij de ontwikkeling van een printplaat (PCB). Het is niet voldoende om alleen naar de eisen van de eindgebruiker te kijken. Het inroepen van kennis van andere ingenieurs, zoals elektrische ingenieurs, mechanische ingenieurs, productiemedewerkers, assemblage-experts en testingenieurs, kan vaak het verschil maken tussen een soepel werkend ontwerp en een product met onvoorziene problemen. Het uitwisselen van ideeën tussen deze verschillende vakgebieden helpt niet alleen om technische kwesties vroegtijdig te identificeren, maar biedt ook nieuwe perspectieven die je mogelijk zelf niet zou hebben opgemerkt.

Daarnaast is het van groot belang dat je als ontwerper de verantwoordelijkheid voor het ontwerp behoudt. Hoewel feedback van andere ingenieurs van waarde is, mag een ontwerpbeoordeling nooit als een commissie worden beschouwd waarbij de beslissingen collectief worden genomen. Jij, als ontwerpleider, hebt de laatste zeggenschap over wat er in het ontwerp blijft en wat er wordt verwijderd. Dit betekent dat je niet alleen open moet staan voor andere ideeën, maar ook moet standhouden wanneer je ervan overtuigd bent dat een wijziging schadelijk zou zijn voor de functionaliteit van het product.

Bij het ontwerpen voor prestaties is het essentieel om te begrijpen dat twee verschillende ontwerpers die hetzelfde schema gebruiken, verschillende PCB’s kunnen creëren die op het gebied van prestaties aanzienlijk van elkaar verschillen. Het ontwerpen voor prestaties vereist een diepgaande kennis van de natuurkunde van velden en golven en hoe ze zich gedragen in jouw ontwerp. Als je geen rekening houdt met de realiteit van signaalgedrag, kan het ontwerp niet voldoen aan de verwachtingen.

Veel ingenieurs hebben een te simplistisch en onnauwkeurig begrip van de fysica achter PCBs. Ze beschouwen sporen op een printplaat simpelweg als leidingen die stroom doorgeven, terwijl in werkelijkheid elk onderdeel, inclusief de sporen zelf, een elektrisch component is. De zogenaamde parasitaire inductantie en parasitaire capaciteit vormen onzichtbare componenten die invloed hebben op het functioneren van het circuit. De stromen en spanningen die over de sporen lopen, genereren elektromagnetische velden die zich niet binnen de sporen bevinden, maar deze omringen. Dit betekent dat er velden tussen de lagen van de PCB bestaan die de werking van het ontwerp kunnen beïnvloeden.

De manier waarop stroom door een spoor vloeit, verandert afhankelijk van de frequentie van het signaal. Bij gelijkstroom (DC) stroomt de stroom door het gehele doorsnede van het spoor, waarbij weerstand de belangrijkste belemmering vormt. Echter, bij hoge frequenties komt alleen de buitenste ‘huid’ van het spoor in aanmerking om de stroom te dragen, en inductantie wordt een veel grotere beperkende factor. Dit is een belangrijke overweging bij het ontwerpen voor hoge snelheden, aangezien de geometrie van het spoor en de nabijheid van een grondvlak direct van invloed zijn op het gedrag van de elektrische velden.

Het is van cruciaal belang om grondvlakken in je ontwerp op te nemen. Grondvlakken bieden niet alleen een pad voor de terugkerende stroom, maar ze blokkeren ook de elektromagnetische velden tussen de signaallagen, wat mogelijk EMC- en EMI-problemen voorkomt. Zonder een grondvlak kunnen er grote lussen van stroom ontstaan die het ontwerp instabiel maken, wat kan leiden tot ongewenste interferentie en ruis. De afwezigheid van grondvlakken vergroot ook de kans op kruistalk tussen circuits, wat kan leiden tot prestatieverlies of falen van het systeem.

Hoewel het mogelijk is om PCBs te ontwerpen met een onvolledig begrip van de onderliggende fysica, zal het ontwerpen met een gedegen kennis van hoe signalen zich in de praktijk gedragen het ontwerp sterk verbeteren. Dit geldt niet alleen voor hoge-snelheidsontwerpen, maar ook voor eenvoudiger ontwerpen, waar een intuïtief begrip van de fysica nog steeds waardevolle inzichten kan bieden die anders misschien over het hoofd zouden worden gezien.

Hoe via's de kosten en prestaties van een PCB beïnvloeden

De keuze voor het gebruik van via's in de ontwerp- en fabricagefase van een printplaat kan aanzienlijke gevolgen hebben voor zowel de prestaties als de kosten van de uiteindelijke PCB. Via's, die de verschillende lagen van een PCB met elkaar verbinden, zijn essentieel voor de meeste geavanceerde ontwerpen. Echter, de manier waarop via's worden ontworpen, geboord en behandeld, kan de prijs van de productie verhogen, afhankelijk van hun soort en afmetingen. Het is daarom belangrijk om goed geïnformeerd te zijn over de verschillende typen via's en hun impact op zowel de technische als economische aspecten van het ontwerp.

Via's beginnen doorgaans als zogenaamde "through-hole" via's, die volledig door de PCB worden geboord en gecoat. Soms wordt echter een iets bredere boor gebruikt om de helft van de plating weg te nemen, zodat het gat volledig door de plaat gaat, maar slechts de helft van de plating conductief is. Dit type via kan handig zijn wanneer je bijvoorbeeld een stripline wilt omzetten naar een microstrip. Als je echter een through-hole via gebruikt voor een RF-overgang, kan dit een stub op de transmissielijn veroorzaken door de extra lengte van de via, wat weer kan leiden tot matchingproblemen.

Voordat je besluit dat een via-stub een probleem zal veroorzaken, is het raadzaam om wat analyse te doen om te bepalen of dat daadwerkelijk het geval is. In veel gevallen werkt een ontwerp prima, zelfs met een via-stub. Als je echter besluit om een backdrilling toe te passen uit voorzorg, zonder eerst goed na te denken of het werkelijk nodig is, betaal je onnodig veel voor je PCB’s. Het toevoegen van geboord begraafde via’s, die tussen twee interne lagen gaan, brengt altijd hogere kosten met zich mee, omdat hiervoor meerdere laminatiecycli nodig zijn. Geboord blinde via’s zijn ook duurder, terwijl microvia’s de kosten iets minder verhogen.

Een enkel via tussen twee lagen toevoegen verhoogt de kosten van de productie niet per se veel, omdat de prijs voor het plaatsen van een enkele via tussen twee lagen hetzelfde is als voor 1000 via's tussen dezelfde lagen. Het is dus niet voordelig om maar een paar dure blinde via’s tussen lagen 1 en 2 te vragen, omdat je al in een duurder prijssegment zit met langere levertijden. Het is beter om zoveel mogelijk via's toe te voegen als je toch deze stap hebt genomen. Dit kan de kosten per eenheid verlagen en de productieproces efficiënter maken.

De grootte van de via-holes speelt een belangrijke rol bij de kosten. Fabrikanten beperken vaak de grootte van via-holes tot 6 mils of meer in diameter voor hun standaard opstellingen. Kleinere gaten vereisen een laserboor, omdat mechanische boormachines bij dergelijke afmetingen vaak niet nauwkeurig genoeg kunnen werken. Het gebruik van lasergeboorde via's verhoogt de kosten, aangezien laserboren alleen mogelijk is voor microvia’s. Lasergeboorde via's hebben echter ook een beperkter aspectratio, vaak rond 2:1 of 1:1, wat betekent dat de dikte van het substraat dat het via doorboort, beperkt is.

Naast het aspectratio speelt ook de grootte van de annulaire ring een rol bij het bepalen van de kosten en kwaliteit van de via. De annulaire ring is de ruimte tussen de rand van het boorgat en de rand van het koperen pad. Deze ring moet groot genoeg zijn om fouten bij het boren te compenseren. Een goede vuistregel is om de padgrootte minimaal twee keer de diameter van het afgewerkte, geplaatste gat te maken. De minimale grootte van de annulaire ring hangt af van het koperen gewicht van de lagen waarop de via zich bevindt.

Hoewel het gebruik van via-in-pad (waarbij een via zich op een pad bevindt) niet ideaal is, kan het in sommige gevallen nodig zijn, zoals bij zeer fijne BGA-onderdelen. Het vermijden van via-in-pad kan de assemblage vergemakkelijken, evenals het onderhoud en de reparatie van de PCB, wat de technici die aan de bordmontage werken zeker ten goede zal komen.

Bij het ontwerpen van complexe PCB’s is het mogelijk om via’s op een slimme manier te gebruiken, zelfs voor zeer dichte ontwerpen. Het doel is om de fabricagekosten te minimaliseren zonder concessies te doen aan de functionaliteit van het ontwerp. Door samen te werken met de PCB-fabrikant en goed te communiceren over de ontwerpeisen, kan een PCB worden geproduceerd die zowel kosteneffectief als technologisch geavanceerd is.

Hoe om te gaan met prijsstijgingen en het vinden van de juiste contractfabrikant

Sommige distributeurs bieden de mogelijkheid om onderdelen op een rol te kopen, zelfs als je minder dan een volledige rol bestelt. DigiKey biedt bijvoorbeeld de Digi-Reel service aan. Dit is vooral handig als je een pick-and-place machine gebruikt, maar kan frustrerend zijn als je handmatig assembleert. Rollen nemen veel ruimte in beslag en het wordt moeilijk om een klein aantal onderdelen op te slaan als je wat over hebt. Een kleine antistatische zak met een label erop is veel gemakkelijker op te bergen dan een rol van zes inch met een kort stuk tape dat steeds loskomt. Bestel dus geen kleine hoeveelheden onderdelen op een rol, tenzij je deze daadwerkelijk op een rol nodig hebt. Het is bovendien goedkoper, omdat DigiKey kosten in rekening brengt voor de Digi-Reel service.

Wat betreft het werken met contractfabrikanten, als je een klein aantal PCBs voor prototyping maakt, kun je een PCB-fabrikant gebruiken die enkel de borden maakt, en misschien assembleert, en ze naar je verzendt. Als je echter een volledig product in grote hoeveelheden wilt produceren, zul je een contractfabrikant (CM) moeten inschakelen die niet alleen de PCBs maakt en assembleert, maar ook de mechanische onderdelen en behuizingen produceert, de uiteindelijke assemblage uitvoert, je product test, het verpakt, opslaat en verzendt. Het kiezen van de juiste CM is van groot belang. Als je de verkeerde keuze maakt, kan je product gemakkelijk vertraging oplopen of slecht worden gemaakt, en het veranderen van CM is een langdurig en kostbaar proces.

Veronderstel niet dat het altijd goedkoper is om in China te produceren. Hoewel dit vroeger vaak het geval was, hebben de stijgende lonen in China de economische voordelen van productie daar veranderd. Als je in de VS gevestigd bent, kan het kiezen van een CM in de VS het reizen naar de fabriek veel gemakkelijker maken en kan het de kosten voor verzending en logistiek verlagen. Bovendien zijn de intellectuele eigendomswetten in de VS veel sterker en daadwerkelijk afdwingbaar, dus als je bezorgd bent over IP-diefstal, kan productie in de VS een manier zijn om dat risico te beperken. Mexico kan een goede middenweg zijn tussen de VS en China; het kan kosteneffectiever zijn en tegelijkertijd redelijk gemakkelijk bereikbaar.

Een ander voordeel van productie in Noord-Amerika is dat de tijdzoneverschillen tussen jou en je fabriek kleiner zijn, en je minder taal- en culturele barrières zult ervaren. Miscommunicatie tussen jou en je CM is een belangrijke oorzaak van productiefouten en vertragingen, en je bent extra kwetsbaar voor miscommunicatie als jij en je CM in verschillende tijdzones zitten, geen gemeenschappelijke taal delen of uit verschillende culturen komen.

Het is essentieel dat je duidelijk en regelmatig communiceert met je CM, waarschijnlijk vaker dan je zou denken. Zodra je begint te praten over betalingen met je CM, zullen ze waarschijnlijk net 30, net 60 of net 90 voorwaarden aanbieden. Dit betekent simpelweg dat je het volledige bedrag moet betalen binnen respectievelijk 30, 60 of 90 dagen na levering. Afhankelijk van je situatie kunnen er andere financieringsopties beschikbaar zijn, maar het belangrijkste is dat je de betaling bespreekt en een oplossing vindt die voor iedereen werkt.

Een van de eerste vragen die je CM zal stellen, is hoeveel eenheden je wilt laten produceren. Fabrieken variëren sterk in grootte, en het kiezen van de verkeerde fabriek kan leiden tot verspilling of stress. Probeer zo goed mogelijk in te schatten hoeveel eenheden je wilt laten produceren voor een periode van maximaal twee jaar. Hoe groter je fout in deze schatting, hoe moeilijker het zal zijn om je fabriek tevreden te houden. Dit geldt vooral als je het aantal eenheden overschat, aangezien de CM mogelijk extra mensen moet aannemen of dure apparatuur moet kopen in afwachting van een groter ordervolume, om uiteindelijk met de kosten te blijven zitten.