Il drone circuit board è uno dei componenti principali di un drone, fungendo da “centro nevralgico”. Collega e controlla tutti i componenti elettronici, consentendo funzioni quali la trasmissione del segnale, l’elaborazione dei dati e la gestione dell’alimentazione.
I drone circuit board utilizzano tipicamente substrati in resina epossidica FR-4 o materiali a base di alluminio. Il primo offre un’elevata resistenza meccanica e un’eccellente resistenza al calore, mentre il secondo garantisce una dissipazione termica superiore. La lamina di rame, che funge da materiale conduttivo, dipende in modo critico dalla sua qualità e dal suo spessore per la conduttività elettrica del circuito stampato.
Tipi principali di drone circuit board:
Scheda di controllo di volo: funge da “cervello” del drone, riceve comandi esterni e dati dai sensori, elabora queste informazioni e invia segnali di controllo agli attuatori. Ciò consente il volo autonomo e l’esecuzione della missione. Le schede di controllo di volo utilizzano tipicamente la tecnologia HDI (High Density Interconnect) con più strati per adattarsi a layout circuitali complessi e requisiti di trasmissione del segnale ad alta velocità.
Scheda ESC (Electronic Speed Controller): controlla principalmente la velocità di rotazione e la direzione dei motori del drone, consentendo un controllo preciso dell’assetto di volo. Le schede ESC devono gestire correnti elevate e segnali di potenza, quindi utilizzano tipicamente substrati spessi in rame o metallo per garantire un’efficace dissipazione del calore e stabilità elettrica.
Scheda di distribuzione dell’alimentazione (PDB): responsabile della fornitura di alimentazione stabile ai moduli circuitali del drone, comprendente funzioni quali la ricarica della batteria, la conversione di tensione e il monitoraggio della corrente. La scheda PDB deve incorporare circuiti di conversione di potenza ad alta efficienza insieme a funzioni di protezione da sovracorrente e sovratensione per garantire la sicurezza dell’alimentazione del drone.
Scheda di comunicazione: facilita la comunicazione tra il drone e il suo telecomando, la stazione di terra o altri dispositivi. Le schede di comunicazione integrano tipicamente componenti quali moduli a radiofrequenza (RF) e antenne, supportando diversi protocolli di comunicazione tra cui Wi-Fi, Bluetooth e 4G/5G per soddisfare diverse esigenze di connettività.
Scheda sensori: incorpora vari sensori quali accelerometri, giroscopi, magnetometri, barometri e sensori a infrarossi per misurare l’assetto, la posizione, la velocità e altri parametri del drone. La progettazione delle schede sensori deve tenere conto di fattori quali la precisione dei sensori, la stabilità e la resistenza alle interferenze per garantire l’accuratezza dei dati.
PCB rigido-flessibile: combina i vantaggi delle schede rigide e flessibili, offrendo l’elevata affidabilità delle schede rigide insieme alla flessibilità delle schede flessibili. I PCB rigido-flessibili sono comunemente utilizzati in strutture meccaniche come bracci pieghevoli per droni e giunti cardanici per consentire movimenti meccanici flessibili e connessioni dei circuiti.
Schede ad alta frequenza e alta velocità: utilizzate per supportare la trasmissione di dati ad alta velocità e le funzioni di comunicazione ad alta frequenza nei droni, come i radar a onde millimetriche e le comunicazioni 5G. Queste schede richiedono materiali e processi di produzione specializzati per garantire l’integrità e la stabilità del segnale, riducendo al minimo la perdita di segnale e le interferenze.
Considerazioni sulla scelta del numero di strati dei drone circuit board
Pianificazione degli strati fondamentali in base alla complessità della trasmissione del segnale
1.Architettura di segnale leggera per droni di consumo
Per applicazioni di consumo quali la fotografia aerea e il tempo libero, i circuiti stampati a 4-6 strati possono soddisfare i requisiti funzionali fondamentali:
Scenario applicativo tipico: una scheda a 4 strati utilizza una struttura “strato di segnale – strato di alimentazione – strato di terra – strato di segnale” per ottenere l’isolamento fisico tra il controller di volo MCU, il collegamento del telecomando a 2,4 GHz e i segnali di trasmissione video a 5,8 GHz. Ad esempio, la soluzione JDB-4L06 di JDB raggiunge un isolamento di oltre 45 dB tra i segnali a doppia frequenza grazie a un design ottimizzato di adattamento dell’impedenza, sopprimendo efficacemente la diafonia dei segnali.
Limiti di espansione delle prestazioni: le schede a sei strati supportano la trasmissione di segnali ad alta velocità come USB 3.0 (5 Gbps) o interfacce per fotocamere MIPI, anche se è necessario il back-drilling per ridurre al minimo gli stub di segnale e garantire l’integrità dei segnali ad alta velocità. Un marchio di droni di fascia consumer ha ottenuto una riduzione della latenza di trasmissione video da 120 ms a 80 ms adottando un design a sei strati.
2.Requisiti di integrazione multiprotocollo per i droni industriali
Le applicazioni industriali come la logistica e il rilevamento richiedono un numero maggiore di strati circuito stampato:
Gestione dei segnali ad alta velocità: una scheda a 8 strati utilizza piani di segnale dedicati per trasportare simultaneamente PCIe 3.0 (8 Gbps), Gigabit Ethernet e bus CAN, soddisfacendo le esigenze di fusione dei dati multisensoriali. Un drone di rilevamento che adotta una scheda a 8 strati ha ottenuto un aumento del 300% della larghezza di banda di trasmissione dei dati.
Ottimizzazione dell’integrità dell’alimentazione: una circuito stampato a 12 strati utilizza una struttura a sandwich “alimentazione-massa-alimentazione”, integrata da array di condensatori di disaccoppiamento distribuiti, che sopprimono il rumore di alimentazione al di sotto di 50 mV per garantire il funzionamento stabile di apparecchiature di precisione come LiDAR. Un drone logistico che utilizza un design a 12 strati ha raggiunto una precisione di posizionamento di ±2 cm.
Bilanciamento dinamico dell’adattabilità strutturale meccanica
1.L’innovazione dei materiali supera i limiti di peso
La richiesta di circuito stampato leggeri nei veicoli aerei senza pilota (UAV) stimola l’iterazione della tecnologia dei materiali:
Applicazione FR4 ad alto TG: il materiale TG170 di Jiedobang, che utilizza rinforzi in fibra di vetro e una formulazione ottimizzata della resina in schede a 6 strati, riduce il peso delle schede del 15% rispetto ai materiali convenzionali, superando i test di ciclo termico da -40 °C a 125 °C. Un UAV a lunga autonomia che incorpora questo materiale ha ottenuto un aumento del 18% della durata di volo;
Processo composito in fibra di carbonio: per le cellule in fibra di carbonio, la tecnologia “prepreg circuito stampato co-curing” riduce lo spessore del circuiti stampati a 1,0 mm aumentando la resistenza alla flessione a 300 MPa. Un UAV pieghevole che utilizza questo processo consente una piegatura affidabile delle ali a 180°.
2.Ottimizzazione sinergica del numero e dello spessore degli strati
I problemi di peso derivanti dall’aumento degli strati vengono risolti attraverso l’innovazione strutturale:
Soluzione ibrida rigida-flessibile: l’utilizzo di una struttura composita di 2 strati flessibili + 4 strati rigidi nei giunti pieghevoli garantisce la continuità del segnale riducendo al contempo il peso localizzato del 40%. Un drone da corsa che incorpora questo design ha ottenuto una riduzione di 25 dB del rumore delle vibrazioni;
Riduzione del peso tramite svuotamento: taglio laser delle aree non cablate. Un drone per la protezione delle colture ha ottenuto una riduzione del peso del 22% in una scheda a 6 strati, mantenendo la rigidità strutturale e migliorando la resistenza alle vibrazioni di 1,5 volte.
Percorsi di ottimizzazione dei costi per le drone circuit board
1.Riduzione dei costi tramite l’innovazione della struttura laminata
L’aumento cieco degli strati porta a una crescita esponenziale dei costi; massimizzare l’efficacia dei costi tramite l’ottimizzazione dei processi:
Soluzione ibrida media: il design ibrido a strati “strato ad alta frequenza (Rogers 4350B) + strato standard (FR4)” di Jiedobang riduce i costi delle schede a 8 strati del 18%, garantendo al contempo la qualità della trasmissione del segnale 5G. Un drone di sicurezza che ha adottato questa soluzione ha visto diminuire i costi BOM del 12%.
Ottimizzazione intelligente del routing: gli algoritmi di intelligenza artificiale pianificano automaticamente il routing del segnale, aumentando del 40% l’efficienza del layout del circuito stampato per un drone agricolo. Ciò elimina la necessità di due strati di segnale, riducendo direttamente i costi di produzione.
2.Il design ridondante riserva capacità di aggiornamento
La strategia di ridondanza “N+2” bilancia i requisiti attuali con l’espansione futura:
Applicazione tipica: il circuito stampato di un drone da rilevamento richiedeva inizialmente un design a 6 strati. Tuttavia, l’adozione di un design ridondante a 8 strati ha riservato due strati per la successiva integrazione di un modulo di edge computing AI, evitando la riprogettazione completa dell’intera unità.
