Yêu cầu an toàn cho lắp ráp PCB trong thuốc lá điện tử
Thuốc lá điện tử, hoặc thiết bị vaping, dựa vào các tổ hợp PCB để quản lý cung cấp năng lượng, kiểm soát các yếu tố sưởi ấm và đảm bảo an toàn cho người dùng trong quá trình hoạt động. Với sự tương tác trực tiếp của họ với người dùng và tiếp xúc với chất lỏng, nhiệt và dòng điện, các PCB này phải tuân thủ các tiêu chuẩn an toàn nghiêm ngặt để ngăn chặn các trục trặc như quá nóng, mạch ngắn hoặc lỗi pin. Đạt được điều này đòi hỏi sự chú ý cẩn thận đến lựa chọn thành phần, cách ly điện, quản lý nhiệt và tuân thủ các quy định của ngành.
Phân lập điện và cách nhiệt để ngăn chặn các
mạch thuốc lá ngắn điện tử hoạt động trong môi trường nơi ngưng tụ từ chất lỏng điện tử hoặc sự cố tràn tình cờ có thể tạo ra các đường dẫn dẫn điện giữa các dấu vết hoặc thành phần, dẫn đến các mạch ngắn. Để giảm thiểu rủi ro này, các nhà thiết kế thực hiện các chiến lược cách nhiệt nhiều lớp, bắt đầu với các lớp phủ phù hợp được áp dụng cho bề mặt PCB. Những lớp phủ này, thường được làm từ acrylic, silicon hoặc urethane, tạo thành một rào cản bảo vệ chống lại độ ẩm và hóa chất trong khi vẫn duy trì sự linh hoạt để phù hợp với sự giãn nở nhiệt.
Các PCB hai mặt được sử dụng trong các thiết bị vaping nhỏ gọn đòi hỏi khoảng cách chính xác giữa các lớp dẫn điện để ngăn chặn arcing, đặc biệt là các thành phần gần điện áp cao như đầu nối pin hoặc cuộn dây sưởi. Khoảng cách giải phóng mặt bằng và khoảng cách, sự phân tách vật lý giữa các dấu vết trên cùng một lớp và trên các lớp, tương ứng, được tính toán dựa trên các điều kiện điện áp và môi trường hoạt động của thiết bị. Ví dụ, việc tăng khoảng cách giữa các dấu vết làm giảm khả năng phóng điện khi các chất gây ô nhiễm thu hẹp khoảng cách.
Các kỹ thuật cách ly mở rộng sang thiết kế cấp thành phần, trong đó các bộ ghép optoCouple hoặc máy biến áp các mạch điều khiển riêng biệt bằng điện với các giai đoạn năng lượng. Điều này ngăn cản các gai hoặc lỗi điện áp trong mạch phần tử sưởi ấm lan truyền sang các khu vực nhạy cảm như Hệ thống quản lý pin (BMS). Trong quá trình lắp ráp, kiểm tra quang học tự động (AOI) xác minh rằng các khoảng trống cô lập đáp ứng các thông số kỹ thuật thiết kế, giảm nguy cơ lỗi của con người trong quá trình đặt thủ công các thành phần quan trọng.
Quản lý nhiệt để vận hành an toàn các yếu tố sưởi ấm
cuộn dây sưởi trong một loại thuốc lá điện tử thu hút dòng điện đáng kể, tạo ra nhiệt phải được tiêu tan hiệu quả để tránh làm hỏng PCB hoặc các thành phần xung quanh. Nhiệt Runaway, nơi nhiệt độ tăng tăng tốc độ suy giảm thành phần, là mối quan tâm chính, vì nó có thể dẫn đến nổ pin hoặc trục trặc thiết bị. Để quản lý nhiệt, các nhà thiết kế kết hợp các lỗ mạ nhiệt VIAS, chuyển nhiệt từ lớp trên cùng của PCB sang các lớp bên trong hoặc dưới cùng với các khu vực đồng lớn hơn để tản.
Các vật liệu dẫn đến nhiệt độ cao, chẳng hạn như PCB lõi nhôm hoặc chất nền được hỗ trợ bằng kim loại, đôi khi được sử dụng thay cho FR-4 truyền thống để cải thiện sự lan truyền nhiệt. Những vật liệu này làm giảm các điểm nóng cục bộ gần mạch điều khiển cuộn dây sưởi ấm, đảm bảo phân bố nhiệt độ đồng đều trên bảng. Các cảm biến nhiệt độ được đặt gần với các điều kiện hoạt động của bộ phận làm nóng trong thời gian thực, kích hoạt các cơ chế an toàn như tắt máy tự động nếu vượt quá ngưỡng.
Trong quá trình bố trí PCB, các thành phần nhạy cảm với nhiệt, chẳng hạn như vi điều khiển hoặc tụ điện, được định vị cách xa vùng sưởi để giảm thiểu ứng suất nhiệt. Ngoài ra, mặt nạ hàn có điện trở nhiệt độ cao ngăn ngừa sự suy giảm khi tiếp xúc với nhiệt kéo dài, duy trì cách nhiệt điện và tính toàn vẹn theo dõi. Các nhà sản xuất cũng thực hiện các thử nghiệm đạp xe nhiệt để mô phỏng các mẫu sử dụng trong thế giới thực, xác định các điểm thất bại tiềm năng liên quan đến chu kỳ làm nóng và làm mát lặp đi lặp lại.
Quản lý pin và bảo vệ chống lại việc sạc quá mức/xả
pin lithium-ion, thường được sử dụng trong thuốc lá điện tử, đòi hỏi các mạch bảo vệ mạnh mẽ để ngăn chặn quá mức, giảm quá mức và các mạch ngắn, tất cả đều có thể dẫn đến các sự kiện nhiệt hoặc thất bại thảm hại. Lắp ráp PCB tích hợp một BMS theo dõi điện áp pin, dòng điện và nhiệt độ, điều chỉnh tốc độ sạc tự động hoặc ngắt kết nối pin nếu phát hiện điều kiện không an toàn.
Các thành phần chính của BMS bao gồm các mạch bảo vệ quá điện áp (OVP) tạm dừng sạc khi pin đạt đến điện áp an toàn tối đa và các cơ chế khóa (UVLO) tối đa để ngăn chặn việc xả dưới ngưỡng tới hạn, có thể làm hỏng cấu trúc bên trong của pin. Các điện trở và cầu chì giới hạn hiện tại cũng được nhúng trong PCB để hạn chế dòng chảy quá mức trong các lần rút công suất cao hoặc quần short tình cờ, bảo vệ cả pin và người dùng.
Đối với các thiết bị có pin có thể tháo rời, các tiếp điểm PCB phải được thiết kế để chống ăn mòn và duy trì kết nối điện nhất quán, ngay cả sau khi chèn lặp lại. Các tiếp xúc lò xo hoặc mạ vàng làm giảm điện trở và giảm thiểu sự phát sinh nhiệt trong quá trình sạc hoặc xả. Trong quá trình lắp ráp, các quy trình hàn tự động đảm bảo các kết nối đáng tin cậy giữa BMS và các thiết bị đầu cuối pin, trong khi kiểm tra tia X xác minh tính toàn vẹn của các mối hàn bên dưới các thành phần gắn trên bề mặt.
Tuân thủ các tiêu chuẩn quy định và các yêu cầu chứng nhận
thuốc lá điện tử PCB phải tuân thủ các tiêu chuẩn an toàn quốc tế để đảm bảo sự chấp nhận thị trường và tin tưởng người dùng. Các quy định như Chỉ thị sản phẩm thuốc lá của EU (TPD) và Hướng dẫn của Cơ quan Quản lý Thực phẩm và Dược phẩm Hoa Kỳ (FDA) áp đặt các giới hạn nghiêm ngặt đối với hàm lượng nicotine, ghi nhãn thiết bị và an toàn điện. Đối với PCB, điều này có nghĩa là tuân thủ các tiêu chuẩn như IEC 62133 cho an toàn pin và IPC-A-610 cho chất lượng lắp ráp điện tử.
Các cơ quan chứng nhận như UL hoặc Tüv tiến hành thử nghiệm độc lập để xác minh rằng PCB đáp ứng các tiêu chuẩn này, bao gồm các đánh giá về điện trở lửa, cách điện và độ bền cơ học. Ví dụ, các nhà thiết kế kết hợp các tỷ lệ an toàn vào xếp hạng thành phần, ví dụ, chọn các tụ điện có xếp hạng điện áp cao hơn 20% so với điện áp hoạt động dự kiến để tính đến phương sai sản xuất hoặc tăng đột biến thoáng qua.
Truy xuất nguồn gốc là một khía cạnh quan trọng khác của việc tuân thủ quy định, vì các nhà sản xuất phải ghi lại mọi giai đoạn của quy trình lắp ráp PCB, từ tìm nguồn cung ứng vật liệu đến thử nghiệm cuối cùng. Điều này bao gồm duy trì hồ sơ về số lô thành phần, số nhận dạng hàng loạt hàn và kết quả kiểm tra, cho phép thu hồi nhanh hoặc điều tra nếu các vấn đề an toàn xuất hiện sau triển khai sau.
Bằng cách ưu tiên cách ly điện, quản lý nhiệt, bảo vệ pin và tuân thủ quy định, các tổ hợp PCB trong thuốc lá điện tử đạt được sự an toàn và độ tin cậy cần thiết cho việc sử dụng người tiêu dùng. Các biện pháp này không chỉ bảo vệ người dùng khỏi các mối nguy hiểm như quá nóng hoặc thất bại về pin mà còn đảm bảo hiệu suất dài hạn trong một thị trường cạnh tranh trong đó an toàn là một tính năng không thể thương lượng.
