大電(diàn)流電(diàn)路板设计入门

2021-11-12

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，这些挑战在较小(xiǎo)的数字系统中是看不到的。操作员可(kě)能(néng)会暴露在不安全的环境中，并且设计可(kě)能(néng)会因热量或静電(diàn)放電(diàn)而失败。然而，正确的PCB设计决策有(yǒu)助于降低与電(diàn)力電(diàn)子设备交互所涉及的风险。在本指南中，我们将介绍在高電(diàn)流電(diàn)路板设计中要考虑的一些基本设计要点。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電(diàn)压设计中的相似，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)一些高電(diàn)流PCB设计的好例子，它们不一定在高電(diàn)压下运行。此外，“高電(diàn)压”与“高電(diàn)流”的概念有(yǒu)点武断。區(qū)分(fēn)这些类型设计的较佳指标可(kě)能(néng)是安全性。如果直流電(diàn)流存在触電(diàn)或过热的风险，那么您可(kě)能(néng)需要应用(yòng)其中的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。尽管听起来很(hěn)明显，但请确保在选择期间考虑组件的安全裕度。一般来说，建议先看两个规格：

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)上面的第一个规格来获得较坏情况下的值。这两者都有(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以确保可(kě)靠性。

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

 

选择合适的铜重量

走線(xiàn)中使用(yòng)的铜的電(diàn)阻会产生一些直流功率损耗，这些损耗会以热量的形式散失。对于非常大的電(diàn)流设计，这变得非常重要，特别是当组件密度很(hěn)高时。防止大電(diàn)流PCB中直流损耗的方法是使用(yòng)横截面积更大的铜。这意味着，要么需要更重的铜，要么需要更宽的走線(xiàn)以保持足够低的焦耳热和功率损耗。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。

变得更大：使用(yòng)平面而不是轨迹

如果您必须将非常高的電(diàn)流输入電(diàn)源系统，而走線(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，在我们过去所做的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（24 V）電(diàn)源提供100 A的電(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。

覆铜散热孔

在空气停滞的電(diàn)路板外壳内，如果您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)以放置在表面层有(yǒu)铜的電(diàn)路板上，通过提供到平面层 (GND) 的直接连接来提供额外的热传递，从而遠(yuǎn)离某些组件。这可(kě)用(yòng)于靠近热元件或走線(xiàn)的電(diàn)路，以提供遠(yuǎn)离表面层的额外热传导，但不应在需要隔离的情况下使用(yòng)，例如在電(diàn)源变压器的初级和次级匝之间。

虽然散热孔有(yǒu)利于针对特定组件，但更好的策略是考虑如何使用(yòng)大散热器或直接传导路径到外壳来提供高散热。下面显示了一组并联MOSFET的示例。

 

注意地面

大電(diàn)流系统可(kě)能(néng)需要使用(yòng)相同类型的安全故障措施。通过适当的接地策略可(kě)以实现一定程度的安全和EMI。通常，您不应分(fēn)割接地，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)好的起点是交流系统或隔离電(diàn)源中的接地策略。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断开连接，而输入侧接地以确保发生故障时的安全。

使用(yòng)更厚的電(diàn)路板

乍一看，这似乎违反直觉。您会认為(wèi)更薄的電(diàn)路板可(kě)以提供更好的遠(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，面内热阻会更低，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)路板中较大的元件提供更大的机械支撑，尤其是安装在板上的電(diàn)感元件和大型散热器。

ESD和安全

直流的这一部分(fēn)存在其自身的一系列问题，特别是在電(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，请阅读有(yǒu)关常见ESD電(diàn)路设计的指南。