Проблемы Melzi

Пока я сам не купил себе популярный недорогой 3D принтер я часто слышал от своих друзей о проблеме перегрева разъёмов питания и горячего стола на плате контроллёра, часто приводящей к отпаиванию выводов или проводов. Это похоже на проблему в проектировании, поэтому я решил посмотреть на проект печатной платы и постараться её решить.

Я скачал открытые исходники платы из репозитория на GitHub для версии с драйверами A4988. И сразу же увидел причину.

Изучение

Первое, никогда не используйте термобарьеры для разъёмов с высоким током. Термобарьеры удобны для уменьшения рассеивания тепла во время пайки в случае слаботочных приложений, но для высокого тока лучше иметь возможность максимально снимать нагрев с разъёмов. Ниже показаны подгоревшие разъёмы на стоковой плате i3 Melzi:

Подгоревшие разъёмы на плате i3 Melzi

Ущерб нанесён выводу подключения земли на главном разъёме питания и выводу PWR на разъёме горячего стола. Просмотрев слои платы, я выделил светло-синими кругами соответствующие выводы разъёмов:

Здесь термобарьеры мешают отводу тепла от разъёмов

Все размеры идут в mil — mil это тысячная доля дюйма. Так что 8мил это 0.008 дюйма или 0.02см, что в переводе на наши родные миллиметры — 0.2мм. Тонковато для домашнего применения, я бы меньше 0.3 дорожки не стал делать, есть риск получить брак. Чтобы не парить мозг с разными системами счисления, запомни что 4mil это 0.1мм и от этого уже пляши. Eagle CAD на Easyelectronis.ru

Термобарьерами называют небольшие проводники, идущие от зелёной площадки к красному (и скрытому в настоящий момент синему) слою, выполняющие задачу тепловой изоляции. Для проводников питания использование термобарьеров является плохой идеей, потому что тогда начинает играть роль общая ширина меди. Вместо того, чтобы ток был напрямую доставлен по красному (или синему) слою шириной в 240 mil, ему приходится идти через небольшие полоски меди. Это означает, что GND вывод разъёма питания пропускает весь ток через четыре красных (и не забываем про синий) проводника шириной в 20 mil (в общем, 160 mil), в случае разъёма горячего стола всё ещё хуже, вывод PWR подключен всего через два проводника шириной в 20 mil! Данная плата создана на текстолите с "1 oz." меди, что означает одну унцию меди на квадратный фут материала платы для слоя толщиной в 1.27 mil или около 35 микрон (0.035 мм). 160 mil ширины меди недостаточно для тока в 10А для горячего стола. Эти термобарьерные проводники перегреваются до нескольких сотен градусов цельсия и в итоге плавят разъём или провода, подключенные к нему. Всё это очень пожароопасно. Мы пришли к следующему недостатку в дизайне платы.

Второе, никогда не используйте "1 oz." платы для приложений высокого тока. Они просто слишком тонкие и требуют повышенной ширины проводников. Медь будет перегреваться на таких токах, приводя к изменению цвета частей платы:

Результат перегрева части платы

Коричневые пятна - результат обесцвечивания маски из-за сильной жары в течение длительных периодов времени. Обратите внимание на термобарьеры на разъёмах питания.

Для приложений высокого тока можно добавить третье правило.

Третье, всегда используйте винтовые клеммы для соответствующего тока, если он превышает 3А. Я предпочитаю перезакладываться на 50% для безопасности, т.е. использую 15А разъёмы для 10А тока.

Я должен отметить, что на плате используются 15А разъёмы.

Решение

Итак, как это всё починить? Надо переделать плату. Больше никаких термобарьеров. Оба слоя должны использоваться для передачи питания:

Переработанные разъёмы

Также я расположил температурный сенсор DS1822Z в области высоких токов для измерения температуры платы во время печати. Это необходимо, чтобы не допускать перегрева платы выше 140 С. Потребуется небольшая доработка прошивки, но это позволит сохранить вашу плату.

Другие доработки включают переразводку всей платы, улучшая подключение питания к драйверам моторов (10 mil, вы серьёзно?), добавление разъёма для использования внешних читалок SD карт и USB кабелей, добавление разъёмов для 3.3В последовательных интерфейсов, что позволит подключать BLE, немного доработать Z концевик, чтобы можно было использовать индуктивный сенсор, использовать везде винтовые клеммники и, наконец, заменить керамический резонатор на ATMEGA1284P на 50ppm кварц. Резонатор старой платы имел 0.5% точности, что могло стать источником проблем.

В итоге получилось так:

Итог работы