大電(diàn)流電(diàn)路板设计入门

2022-03-15

大電(diàn)流電(diàn)路板设计入门

以高電(diàn)流或高電(diàn)压运行的系统面临着一系列独特的挑战，这些挑战在小(xiǎo)型数字系统中是看不到的。操作员可(kě)能(néng)会暴露在不安全的条件下，设计可(kě)能(néng)会因热量或静電(diàn)放電(diàn)而失败。但是，正确的PCB设计决策有(yǒu)助于降低与電(diàn)力電(diàn)子设备交互的风险。在本指南中，我们将了解在大電(diàn)流電(diàn)路板设计中要考虑的一些基本设计点。在某些情况下，大電(diàn)流電(diàn)路板设计中涉及的布局和安全考虑与高压设计中的类似，尤其是当我们考虑安全性时。

大電(diàn)流電(diàn)路板布局的基础知识

有(yǒu)一些不需要在高压下运行的大電(diàn)流PCB设计的很(hěn)好的例子。此外，“高電(diàn)压”与“高電(diàn)流”的概念有(yǒu)些武断。區(qū)分(fēn)这些类型设计的最佳指标可(kě)能(néng)是安全性。如果由于直流電(diàn)流而存在触電(diàn)或过热的风险，那么您可(kě)能(néng)需要应用(yòng)其中一些设计原则来确保安全性和可(kě)靠性。

元件选择

大電(diàn)流设计和電(diàn)源系统通常从组件中获得大部分(fēn)可(kě)靠性。听起来很(hěn)明显，请确保在选择过程中考虑到组件的安全裕度。一般来说，最好从查看两个规范开始：

额定電(diàn)流，特别是MOSFET和電(diàn)感元件

热阻值（如果有(yǒu)）

您可(kě)以使用(yòng)估计或设计的工作電(diàn)流来确定功耗，或使用(yòng)上述第一个规范来获得最坏情况下的值。这两者都将有(yǒu)助于热管理(lǐ)，这需要使用(yòng)热阻值来估计温度。对于某些组件，您可(kě)以确定是否需要散热器来确保可(kě)靠性。

对大電(diàn)流電(diàn)路板很(hěn)重要的其他(tā)组件（例如连接器）可(kě)能(néng)具有(yǒu)非常高的额定值，并且在電(diàn)力系统中很(hěn)有(yǒu)用(yòng)。下面显示了可(kě)以处理(lǐ)非常高電(diàn)流的两个机械螺钉端子连接器示例。

选择合适的铜重量

走線(xiàn)中使用(yòng)的铜電(diàn)阻会产生一些直流功率损耗，这些损耗会以热量的形式消散。对于電(diàn)流非常大的设计，这变得非常重要，尤其是在元件密度很(hěn)高的情况下。防止大電(diàn)流PCB中直流损耗的唯一方法是使用(yòng)具有(yǒu)较大横截面积的铜。这意味着，要么需要较重的铜，要么需要更宽的走線(xiàn)以保持焦耳热和功率损耗足够低。使用(yòng)PCB走線(xiàn)宽度与電(diàn)流表来确定防止过度温升所需的铜重量和/或走線(xiàn)宽度。

做大：使用(yòng)平面而不是轨迹

如果您必须将非常高的電(diàn)流引入電(diàn)源系统，并且走線(xiàn)太宽而无法满足您的需求，请使用(yòng)電(diàn)源层而不是走線(xiàn)。举个例子，在我们过去做过的 Eurocard 格式背板中，我们使用(yòng)多(duō)个電(diàn)源层从两个专用(yòng)低压（最大 24 V）電(diàn)源提供100 A電(diàn)流。当您需要支持极端電(diàn)流时，您可(kě)以在其他(tā)系统中使用(yòng)相同的策略。

覆铜热通孔

在空气滞留的電(diàn)路板外壳内，如果仅依靠传导或自然对流，则很(hěn)难将热量从设备中转移出去。热通孔可(kě)以放置在板上，表面层有(yǒu)铜，通过提供与平面层 (GND) 的直接连接，提供额外的热量从某些组件转移出去。这可(kě)用(yòng)于靠近热元件或走線(xiàn)的電(diàn)路，只是為(wèi)了提供一些遠(yuǎn)离表层的额外热传导，但不应在需要隔离的情况下使用(yòng)，例如電(diàn)源变压器的初级和次级匝之间。

尽管热通孔有(yǒu)利于针对特定组件，但更好的策略是考虑如何使用(yòng)大型散热器或直接传导至外壳的路径来提供高散热。

注意接地

大電(diàn)流系统可(kě)能(néng)需要使用(yòng)同一种安全故障措施。通过适当的接地策略可(kě)以实现一定程度的安全性和 EMI。通常，您不应分(fēn)开接地，但涉及高電(diàn)流和/或高電(diàn)压的電(diàn)力系统是一个例外。接地需要在输入交流、非稳压直流和稳压直流部分(fēn)之间分(fēn)开。

一个很(hěn)好的起点是您可(kě)以在交流系统或隔离電(diàn)源中找到的接地策略。通常，对于大電(diàn)流電(diàn)源系统，您将采用(yòng)3線(xiàn)直流布置（PWR、COM、GND），其中GND连接实际上是接地连接。您的電(diàn)路板可(kě)能(néng)使用(yòng)隔离策略，其中输出侧与GND断开，而输入侧接地以确保发生故障时的安全。

使用(yòng)较厚的電(diàn)路板

起初，这似乎违反直觉。你会认為(wèi)更薄的電(diàn)路板可(kě)以提供更大的遠(yuǎn)离组件的传导，那么為(wèi)什么要使用(yòng)更厚的電(diàn)路板。事实上，当使用(yòng)非标准板厚时，板内热阻会更低，板的热质量会更高。较厚的電(diàn)路板（2 或 3 毫米）还可(kě)以為(wèi)大電(diàn)流電(diàn)路板中较大的组件提供更大的机械支撑，特别是板上安装的電(diàn)感组件和大型散热器。

ESD和安全

DC的这一部分(fēn)存在其自身的一系列问题，尤其是在電(diàn)力系统中，尤其是在同时在高電(diàn)压和高電(diàn)流下运行的设计中。要了解有(yǒu)关在高压下运行的電(diàn)源系统中的ESD保护的更多(duō)信息。