通过过孔缝制PCB布局中的大電(diàn)流走線(xiàn)

2021-05-26

通过过孔缝制PCB布局中的大電(diàn)流走線(xiàn)

電(diàn)路板上大電(diàn)流走線(xiàn)的潜在问题。

布線(xiàn)電(diàn)源走線(xiàn)和使用(yòng)大電(diàn)流缝合过孔的设计技巧。

使用(yòng)您的PCB设计工具来帮助进行電(diàn)源布線(xiàn)。

在電(diàn)路板设计中，同样的一般警告规则也适用(yòng)。高電(diàn)流是设计的必要条件，但是如果您在PCB布局中未给予应有(yǒu)的重视，它也可(kě)能(néng)导致一些不愉快的后果。

必须在设计中管理(lǐ)電(diàn)源和地，并正确分(fēn)配给它们所连接的不同组件。用(yòng)来管理(lǐ)PCB布局中大電(diàn)流的一种技术是缝合过孔，它可(kě)以帮助通过電(diàn)路板传递電(diàn)流的热量和能(néng)量。这是有(yǒu)关在下一个PCB设计中使用(yòng)过孔缝合处理(lǐ)大電(diàn)流走線(xiàn)的更多(duō)信息。

電(diàn)路板上的大電(diàn)流问题

许多(duō)系统在其操作中会消耗大量功率，并且这些系统中的電(diàn)路板将需要传导大電(diàn)流。但是，如果没有(yǒu)针对该電(diàn)流水平正确设计電(diàn)路板，则该電(diàn)路板可(kě)能(néng)会在電(diàn)气上或在结构上发生故障。例如，一块電(diàn)路板使用(yòng)的金属量不足，无法通过其電(diàn)源层传导電(diàn)流，走線(xiàn)可(kě)能(néng)会变得过热。如果散热不正确，则会影响未為(wèi)其专门设计的组件的正常运行。最终，热量将产生一个多(duō)米诺骨牌场景，越来越多(duō)的零件受到影响，最终导致電(diàn)路板故障。

高電(diàn)流可(kě)能(néng)对電(diàn)路板造成负面影响的另一个示例是電(diàn)路板结构的物(wù)理(lǐ)故障。原始電(diàn)路板制造中使用(yòng)的材料可(kě)以承受很(hěn)多(duō)热量，但只能(néng)承受一定程度的热量。FR-4是用(yòng)于PCB制造的标准材料，玻璃化转变温度（Tg）额定值為(wèi)130摄氏度。超过该点，其固體(tǐ)形式将变得不稳定并可(kě)能(néng)开始熔化。但是，即使在未达到该温度之前，热量也可(kě)能(néng)最终通过板上的任何细金属迹線(xiàn)燃烧，从而形成断路，例如保险丝熔断。

為(wèi)避免这些和其他(tā)大電(diàn)流问题，必须谨慎设计这些電(diàn)路在PCB布局中的设计方式。

组件之间的短而直接的電(diàn)源和模拟走線(xiàn)路由

大電(diàn)流電(diàn)路的電(diàn)气和热量考虑

高電(diàn)流会在電(diàn)路板上产生大量噪声，尤其是与开关電(diàn)源相关的電(diàn)流。接通和断开状态之间的切换将产生EMI，EMI的强度将随着开关的上升时间的增加而增加。虽然可(kě)以解决此问题，但也可(kě)以使用(yòng)以下一些旨在降低噪声的PCB布局技术来控制该问题。

電(diàn)源電(diàn)路中的组件应放置得足够近，以进行短而直接的走線(xiàn)连接，同时又(yòu)不要破坏以下针对可(kě)制造性（DFM）规则的设计：

電(diàn)源组件应全部位于板的同一侧，以消除板内布線(xiàn)的需要。 

電(diàn)源的大電(diàn)流组件（例如電(diàn)感器和IC）应尽可(kě)能(néng)靠近，以实现最短的连接。 

像这样将组件放在一起，布線(xiàn)应该在電(diàn)源部件内非常直接。您将希望走線(xiàn)尽可(kě)能(néng)宽，以保持较低的電(diàn)感并降低EMI的可(kě)能(néng)性。 

这种策略将使您更好地控制電(diàn)源電(diàn)路中存在大電(diàn)流的電(diàn)气和散热问题，但是仍然存在将大電(diàn)流路由到電(diàn)路板上其他(tā)点的问题。这样的大電(diàn)流布線(xiàn)中的热问题将需要更多(duō)的金属，这可(kě)能(néng)需要在不止一层上布線(xiàn)。在这里，在大電(diàn)流走線(xiàn)中使用(yòng)缝合过孔会有(yǒu)所帮助。

用(yòng)三个通孔缝合到另一层上的走線(xiàn)的電(diàn)源走線(xiàn)

通过过孔缝合可(kě)在PCB布局中形成大電(diàn)流走線(xiàn)

在布線(xiàn)大電(diàn)流走線(xiàn)时，总是最好使用(yòng)尽可(kě)能(néng)多(duō)的金属以减少热量并降低電(diàn)感。但是，很(hěn)多(duō)时候板上的空间不足以使電(diàn)源走線(xiàn)达到所需的宽度。解决方案是在電(diàn)路板上的多(duō)层走線(xiàn)。通过将不同层上的走線(xiàn)与过孔缝合在一起，您将有(yǒu)效地将载流能(néng)力与单层上的载流能(néng)力相乘。在上图中，您可(kě)以看到電(diàn)路板内部层上的電(diàn)源走線(xiàn)，其中有(yǒu)三个缝合过孔，可(kě)与相邻层上的配套走線(xiàn)连接。这样可(kě)以腾出空间用(yòng)于板子外部层上的其他(tā)布線(xiàn)或其他(tā)组件。

需要注意的是，在大電(diàn)流走線(xiàn)上还会产生大量的热量。通过将多(duō)个電(diàn)源走線(xiàn)和内部层上的过孔缝合在一起，您将為(wèi)更多(duō)的金属提供热量共享的途径，但是仍然需要进行散热。这可(kě)以通过热过孔来完成，该过孔将热量传导到板的外层上的金属焊盘上以进行冷却。您可(kě)以為(wèi)大電(diàn)流走線(xiàn)提供的散热量越多(duō)，電(diàn)路板的性能(néng)就越好，遭受热损坏的可(kě)能(néng)性也就越小(xiǎo)。

在规划设计时，还应牢记一些其他(tā)当前需要考虑的布局问题：

PCB制造：如果您的電(diàn)路板要在高電(diàn)流下非常热地运行，则最好探索其他(tā)可(kě)以承受更高工作温度的材料。尽管这些材料的成本可(kě)能(néng)更高，但从長(cháng)遠(yuǎn)来看，它们可(kě)能(néng)会避免与热有(yǒu)关的问题，从而為(wèi)您节省开支。您还应该与制造商(shāng)一起為(wèi)大電(diàn)流電(diàn)路板开发最佳的层堆叠配置和電(diàn)源平面策略。

板的厚度：通过增加板的厚度，可(kě)以增加铜的重量，从而使走線(xiàn)更粗。这可(kě)以允许您减小(xiǎo)走線(xiàn)宽度，从而留出更多(duō)的布線(xiàn)空间和元件放置空间。与任何制造问题一样，在将其包含在设计中之前，应与制造商(shāng)就这些更改达成一致。

自动化组装：如我们所见，由于電(diàn)流和電(diàn)气原因，更高的電(diàn)流需要更多(duō)的金属。但是，与此同时，在操作过程中会散发不希望的热量的相同金属也可(kě)能(néng)给PCB组装带来问题。大面积的金属会导致较小(xiǎo)零件的热不平衡，从而影响其焊接。為(wèi)避免这种情况，将零件直接连接到宽导線(xiàn)或大面积金属时，请确保使用(yòng)散热片。

元件放置：如果可(kě)以避免，则应将载有(yǒu)高電(diàn)流和高温的元件放置在電(diàn)路板的边缘。通过将这些零件更多(duō)地放置在電(diàn)路板的中央，可(kě)以為(wèi)電(diàn)路板自然散热提供更大的空间。

在所有(yǒu)这些设计技术中，為(wèi)您工作的最佳资产是PCB设计工具中的功能(néng)，我们将在下面进行介绍。

Allegro PCB编辑器中的约束管理(lǐ)器用(yòng)于设置電(diàn)源设计规则

在布设高電(diàn)流走線(xiàn)时充分(fēn)利用(yòng)您的PCB设计工具

路由印刷電(diàn)路板通常需要多(duō)个走線(xiàn)宽度和过孔，具體(tǐ)取决于要路由的内容。信号走線(xiàn)需要较细的走線(xiàn)和较小(xiǎo)的通孔，而電(diàn)源和接地布線(xiàn)通常则相反。有(yǒu)时，不同的電(diàn)源网将需要不同的宽度，具體(tǐ)取决于它们所承载的電(diàn)流水平。為(wèi)了帮助布局设计师应对这些挑战，PCB设计工具通常具有(yǒu)约束管理(lǐ)系统来设置走線(xiàn)宽度和间距规则。

在上面的图片中，您可(kě)以在Cadence的Allegro PCB编辑器工具中看到约束管理(lǐ)器的图片。有(yǒu)了它，您可(kě)以根据需要為(wèi)许多(duō)不同的网输入各种宽度，以及它们自己的独特间距和首选的通孔。此外，约束管理(lǐ)器允许用(yòng)户设置可(kě)以分(fēn)配特定网络的网络类。这使您能(néng)够為(wèi)一组类似的网络创建规则集，从而不必更改每个单独的网络。但是，这仅仅是约束管理(lǐ)器為(wèi)您提供的功能(néng)的开始。

使用(yòng)约束管理(lǐ)器，可(kě)以為(wèi)高速设计拓扑和迹線(xiàn)長(cháng)度设置规则。您还可(kě)以為(wèi)PCB组装创建规则，以控制组件之间的间距或应如何在细间距部件上应用(yòng)阻焊剂。甚至还有(yǒu)一个部分(fēn)可(kě)以设置電(diàn)气规则，以便您根据信号的时序和延迟值进行设计。借助约束管理(lǐ)器的多(duō)功能(néng)性，您将拥有(yǒu)通过缝合过孔布線(xiàn)所需的功率，以在PCB设计中实现大電(diàn)流走線(xiàn)。