大電流PCB設(shè)計(jì)入門
以高電流或高電壓運(yùn)行的系統(tǒng)面臨著一系列獨(dú)特的挑戰(zhàn)，這些挑戰(zhàn)在較小的數(shù)字系統(tǒng)中是看不到的。操作員可能會(huì)暴露在不安全的環(huán)境中，并且設(shè)計(jì)可能會(huì)因熱量或靜電放電而失敗。然而，正確的PCB設(shè)計(jì)決策有助于降低與電力電子設(shè)備交互所涉及的風(fēng)險(xiǎn)。在本指南中，我們將介紹在高電流PCB設(shè)計(jì)中要考慮的一些基本設(shè)計(jì)要點(diǎn)。在某些情況下，大電流電路板設(shè)計(jì)中涉及的布局和安全考慮與高電壓設(shè)計(jì)中的相似，尤其是當(dāng)我們考慮安全性時(shí)。
大電流電路板布局的基礎(chǔ)知識(shí)
有一些高電流PCB設(shè)計(jì)的好例子，它們不一定在高電壓下運(yùn)行。此外，“高電壓”與“高電流”的概念有點(diǎn)武斷。區(qū)分這些類型設(shè)計(jì)的較佳指標(biāo)可能是安全性。如果直流電流存在觸電或過(guò)熱的風(fēng)險(xiǎn)，那么您可能需要應(yīng)用其中的一些設(shè)計(jì)原則來(lái)確保安全性和可靠性。
元件選擇
大電流設(shè)計(jì)和電源系統(tǒng)通常從組件中獲得大部分可靠性。盡管聽起來(lái)很明顯，但請(qǐng)確保在選擇期間考慮組件的安全裕度。一般來(lái)說(shuō)，建議先看兩個(gè)規(guī)格：
額定電流，特別是MOSFET和電感元件
熱阻值（如果有）
您可以使用估計(jì)或設(shè)計(jì)的工作電流來(lái)確定功耗，或使用上面的第一個(gè)規(guī)格來(lái)獲得較壞情況下的值。這兩者都有助于熱管理，這需要使用熱阻值來(lái)估計(jì)溫度。對(duì)于某些組件，您可以確定是否需要散熱器以確保可靠性。
其他對(duì)大電流電路板很重要的組件（例如連接器）可能具有非常高的額定值，并且在電源系統(tǒng)中非常有用。下面顯示了可以處理非常高電流的機(jī)械螺釘端子連接器的兩個(gè)示例。
選擇合適的銅重量
走線中使用的銅的電阻會(huì)產(chǎn)生一些直流功率損耗，這些損耗會(huì)以熱量的形式散失。對(duì)于非常大的電流設(shè)計(jì)，這變得非常重要，特別是當(dāng)組件密度很高時(shí)。防止大電流PCB中直流損耗的方法是使用橫截面積更大的銅。這意味著，要么需要更重的銅，要么需要更寬的走線以保持足夠低的焦耳熱和功率損耗。使用PCB走線寬度與電流表來(lái)確定防止過(guò)度溫升所需的銅重量和/或走線寬度。
變得更大：使用平面而不是軌跡
如果您必須將非常高的電流輸入電源系統(tǒng)，而走線太寬而無(wú)法滿足您的需求，請(qǐng)使用電源層而不是走線。舉個(gè)例子，在我們過(guò)去所做的Eurocard格式背板中，我們使用多個(gè)電源層從兩個(gè)專用低壓（24 V）電源提供100 A的電流。當(dāng)您需要支持極端電流時(shí)，您可以在其他系統(tǒng)中使用相同的策略。
覆銅散熱孔
在空氣停滯的電路板外殼內(nèi)，如果您僅依靠傳導(dǎo)或自然對(duì)流，則很難將熱量從設(shè)備中轉(zhuǎn)移出去。熱通孔可以放置在表面層有銅的電路板上，通過(guò)提供到平面層 (GND) 的直接連接來(lái)提供額外的熱傳遞，從而遠(yuǎn)離某些組件。這可用于靠近熱元件或走線的電路，以提供遠(yuǎn)離表面層的額外熱傳導(dǎo)，但不應(yīng)在需要隔離的情況下使用，例如在電源變壓器的初級(jí)和次級(jí)匝之間。
雖然散熱孔有利于針對(duì)特定組件，但更好的策略是考慮如何使用大散熱器或直接傳導(dǎo)路徑到外殼來(lái)提供高散熱。下面顯示了一組并聯(lián)MOSFET的示例。
注意地面
大電流系統(tǒng)可能需要使用相同類型的安全故障措施。通過(guò)適當(dāng)?shù)慕拥夭呗钥梢詫?shí)現(xiàn)一定程度的安全和EMI。通常，您不應(yīng)分割接地，但涉及高電流和/或高電壓的電力系統(tǒng)是一個(gè)例外。接地需要在輸入交流、非穩(wěn)壓直流和穩(wěn)壓直流部分之間分開。
一個(gè)很好的起點(diǎn)是交流系統(tǒng)或隔離電源中的接地策略。通常，對(duì)于大電流電源系統(tǒng)，您將采用3線直流布置（PWR、COM、GND），其中GND連接實(shí)際上是接地連接。您的電路板可能使用隔離策略，其中輸出側(cè)與GND斷開連接，而輸入側(cè)接地以確保發(fā)生故障時(shí)的安全。
使用更厚的電路板
乍一看，這似乎違反直覺(jué)。您會(huì)認(rèn)為更薄的電路板可以提供更好的遠(yuǎn)離組件的傳導(dǎo)，那么為什么要使用更厚的電路板。事實(shí)上，當(dāng)使用非標(biāo)準(zhǔn)板厚時(shí)，面內(nèi)熱阻會(huì)更低，板的熱質(zhì)量會(huì)更高。較厚的電路板（2或3毫米）還可以為大電流電路板中較大的元件提供更大的機(jī)械支撐，尤其是安裝在板上的電感元件和大型散熱器。
ESD和安全
直流的這一部分存在其自身的一系列問(wèn)題，特別是在電力系統(tǒng)中，尤其是在同時(shí)在高電壓和高電流下運(yùn)行的設(shè)計(jì)中。要了解有關(guān)在高壓下運(yùn)行的電源系統(tǒng)中的ESD保護(hù)的更多信息，請(qǐng)閱讀有關(guān)常見(jiàn)ESD電路設(shè)計(jì)的指南。
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大電流電路板布局的基礎(chǔ)知識(shí)
有一些高電流PCB設(shè)計(jì)的好例子，它們不一定在高電壓下運(yùn)行。此外，“高電壓”與“高電流”的概念有點(diǎn)武斷。區(qū)分這些類型設(shè)計(jì)的較佳指標(biāo)可能是安全性。如果直流電流存在觸電或過(guò)熱的風(fēng)險(xiǎn)，那么您可能需要應(yīng)用其中的一些設(shè)計(jì)原則來(lái)確保安全性和可靠性。
元件選擇
大電流設(shè)計(jì)和電源系統(tǒng)通常從組件中獲得大部分可靠性。盡管聽起來(lái)很明顯，但請(qǐng)確保在選擇期間考慮組件的安全裕度。一般來(lái)說(shuō)，建議先看兩個(gè)規(guī)格：
額定電流，特別是MOSFET和電感元件
熱阻值（如果有）
您可以使用估計(jì)或設(shè)計(jì)的工作電流來(lái)確定功耗，或使用上面的第一個(gè)規(guī)格來(lái)獲得較壞情況下的值。這兩者都有助于熱管理，這需要使用熱阻值來(lái)估計(jì)溫度。對(duì)于某些組件，您可以確定是否需要散熱器以確保可靠性。
其他對(duì)大電流電路板很重要的組件（例如連接器）可能具有非常高的額定值，并且在電源系統(tǒng)中非常有用。下面顯示了可以處理非常高電流的機(jī)械螺釘端子連接器的兩個(gè)示例。
選擇合適的銅重量
走線中使用的銅的電阻會(huì)產(chǎn)生一些直流功率損耗，這些損耗會(huì)以熱量的形式散失。對(duì)于非常大的電流設(shè)計(jì)，這變得非常重要，特別是當(dāng)組件密度很高時(shí)。防止大電流PCB中直流損耗的方法是使用橫截面積更大的銅。這意味著，要么需要更重的銅，要么需要更寬的走線以保持足夠低的焦耳熱和功率損耗。使用PCB走線寬度與電流表來(lái)確定防止過(guò)度溫升所需的銅重量和/或走線寬度。
變得更大：使用平面而不是軌跡
如果您必須將非常高的電流輸入電源系統(tǒng)，而走線太寬而無(wú)法滿足您的需求，請(qǐng)使用電源層而不是走線。舉個(gè)例子，在我們過(guò)去所做的Eurocard格式背板中，我們使用多個(gè)電源層從兩個(gè)專用低壓（24 V）電源提供100 A的電流。當(dāng)您需要支持極端電流時(shí)，您可以在其他系統(tǒng)中使用相同的策略。
覆銅散熱孔
在空氣停滯的電路板外殼內(nèi)，如果您僅依靠傳導(dǎo)或自然對(duì)流，則很難將熱量從設(shè)備中轉(zhuǎn)移出去。熱通孔可以放置在表面層有銅的電路板上，通過(guò)提供到平面層 (GND) 的直接連接來(lái)提供額外的熱傳遞，從而遠(yuǎn)離某些組件。這可用于靠近熱元件或走線的電路，以提供遠(yuǎn)離表面層的額外熱傳導(dǎo)，但不應(yīng)在需要隔離的情況下使用，例如在電源變壓器的初級(jí)和次級(jí)匝之間。
雖然散熱孔有利于針對(duì)特定組件，但更好的策略是考慮如何使用大散熱器或直接傳導(dǎo)路徑到外殼來(lái)提供高散熱。下面顯示了一組并聯(lián)MOSFET的示例。
注意地面
大電流系統(tǒng)可能需要使用相同類型的安全故障措施。通過(guò)適當(dāng)?shù)慕拥夭呗钥梢詫?shí)現(xiàn)一定程度的安全和EMI。通常，您不應(yīng)分割接地，但涉及高電流和/或高電壓的電力系統(tǒng)是一個(gè)例外。接地需要在輸入交流、非穩(wěn)壓直流和穩(wěn)壓直流部分之間分開。
一個(gè)很好的起點(diǎn)是交流系統(tǒng)或隔離電源中的接地策略。通常，對(duì)于大電流電源系統(tǒng)，您將采用3線直流布置（PWR、COM、GND），其中GND連接實(shí)際上是接地連接。您的電路板可能使用隔離策略，其中輸出側(cè)與GND斷開連接，而輸入側(cè)接地以確保發(fā)生故障時(shí)的安全。
使用更厚的電路板
乍一看，這似乎違反直覺(jué)。您會(huì)認(rèn)為更薄的電路板可以提供更好的遠(yuǎn)離組件的傳導(dǎo)，那么為什么要使用更厚的電路板。事實(shí)上，當(dāng)使用非標(biāo)準(zhǔn)板厚時(shí)，面內(nèi)熱阻會(huì)更低，板的熱質(zhì)量會(huì)更高。較厚的電路板（2或3毫米）還可以為大電流電路板中較大的元件提供更大的機(jī)械支撐，尤其是安裝在板上的電感元件和大型散熱器。
ESD和安全
直流的這一部分存在其自身的一系列問(wèn)題，特別是在電力系統(tǒng)中，尤其是在同時(shí)在高電壓和高電流下運(yùn)行的設(shè)計(jì)中。要了解有關(guān)在高壓下運(yùn)行的電源系統(tǒng)中的ESD保護(hù)的更多信息，請(qǐng)閱讀有關(guān)常見(jiàn)ESD電路設(shè)計(jì)的指南。
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標(biāo)簽：PCB設(shè)計(jì)
