PCB 布局中高电流走线的过孔拼接

2021-06-03

PCB 布局中高电流走线的过孔拼接

电路板设计中，同样的一般谨慎规则也适用。高电流是设计的必要条件，但如果您在 PCB 布局中没有给予适当的尊重，它也会导致一些令人不快的后果。

电源和接地必须在您的设计中进行管理，并正确分配到它们所连接的不同组件。用于管理 PCB 布局中的高电流的一种技术是缝合过孔，它可以帮助通过电路板传输电流的热量和能量。以下是有关在下一个 PCB 设计中对高电流走线使用过孔拼接的更多信息。

电路板上的高电流问题

许多系统在运行中会消耗大量电力，并且这些系统中的电路板需要传导高电流。但是，如果电路板没有针对该级别的电流正确设计，则它可能会出现电气或结构故障。例如，没有使用足够金属来传导电流通过其电源层和走线的电路板可能会变得太热。这种热量如果分布不正确，可能会影响并非为此设计的组件的正常运行。最终，热量会形成多米诺骨牌场景，越来越多的部件受到影响，最终导致电路板出现故障。

高电流对电路板的潜在负面影响的另一个例子是电路板结构的物理故障。用于制造原始电路板的材料会承受大量热量，但只能达到一定程度。FR-4 是用于 PCB 制造的标准材料，其玻璃化转变温度 (Tg) 等级为 130 摄氏度。超过该点，其固体形式将变得不稳定并可能开始熔化。然而，即使在达到该温度之前，热量最终可能会通过电路板上的任何细金属迹线燃烧，从而形成开路，就像保险丝熔断一样。

为避免这些和其他高电流问题，必须注意如何在 PCB 布局中设计这些电路。

组件之间的短而直接的电源和模拟走线布线

高电流电路的电气和热考虑

高电流会在电路板中产生大量噪声，尤其是与开关电源相关的电流。打开和关闭状态之间的切换会产生 EMI，其强度会随着切换上升时间的增加而增加。虽然这个问题可以被过滤掉，但也可以通过以下一些旨在降低噪声的 PCB 布局技术来控制。

电源电路中的组件应放置得足够近，以便进行短而直接的走线连接，同时不违反以下可制造性 (DFM) 设计规则：

电源组件应全部位于电路板的同一侧，以消除对板内布线的需要。 

电源的大电流组件，如电感器和 IC，应尽可能彼此靠近以实现最短连接。 

像这样放置在一起的组件，电源部件内的布线应该非常直接。您将希望走线尽可能宽，以保持低电感并降低 EMI 的可能性。 

这种策略可以让您更好地控制电源电路中高电流的电气和热问题，但仍然存在将高电流路由到电路板其他点的问题。像这样路由大电流时的热问题将需要更多的金属，这可能需要在不止一层上路由。这就是在高电流走线中使用缝合通孔可以提供帮助的地方。

用三个过孔缝合到另一层上的走线的电源走线

PCB布局中高电流走线的过孔拼接

在布线大电流走线时，最好使用尽可能多的金属以减少热量并降低电感。然而，很多时候，电路板的一层上没有足够的空间让电源走线达到所需的宽度。解决方案是在电路板的多层上布线电源走线。通过将不同层上的走线与过孔缝合在一起，您将有效地将载流能力与单层上的载流能力相乘。在上图中，您可以看到电路板内部层上的电源走线，其中有三个缝合通孔，可与相邻层上的配套走线连接。这可以为电路板外部层上的其他布线或附加组件腾出空间。

需要注意的是，在高电流走线中仍然会产生大量热量。通过将多条电源走线与内部层上的过孔缝合在一起，您将为更多金属提供一种共享热量的方式，但仍然需要散热。这可以通过热通孔来实现，这些通孔将热量传导到电路板外层的金属平台上进行冷却。为大电流走线提供的冷却越多，电路板的运行效果就越好，并且受到热损坏的可能性就越小。

以下是您在规划设计时需要牢记的其他一些高电流布局注意事项：

PCB 制造：如果您的电路板在高电流下运行时会非常热，最好探索其他可以承受更高工作温度的材料。尽管这些材料可能更昂贵，但从长远来看，它们最终可能会避免与热相关的问题，从而为您节省开支。您还应该与您的制造商合作，为您的高电流板开发最佳的层堆叠配置和电源平面策略。

电路板厚度：通过增加电路板的厚度，您可以增加铜的重量，从而获得更厚的走线。这可能允许您减小走线宽度，从而留出更多布线和组件放置空间。与任何制造问题一样，在将这些更改包含在设计中之前，应与您的制造商达成一致。

自动化组装：正如我们所见，由于电气和热学原因，更高的电流需要更多的金属。但与此同时，在操作过程中散发不希望有的热量的相同金属也可能给 PCB 组装带来问题。大面积的金属会对较小的部件产生热不平衡，从而影响其焊接。为避免这种情况，请确保在将部件直接连接到宽迹线或大面积金属时使用散热片。

元件放置：如果可以避免，则不应将承载高电流和发热的部件放置在板的边缘。通过将这些部件更靠近电路板的中心放置，电路板自然散热的空间更大。

在所有这些设计技术中，您所拥有的最佳资产是您的 PCB 设计工具中的特性和功能，我们将在接下来进行介绍。

Allegro PCB Editor 中的约束管理器用于设置电源设计规则

在布置高电流走线时充分利用您的 PCB 设计工具

布线印刷电路板通常需要多种走线宽度和通孔，具体取决于布线的内容。信号走线需要细走线和小过孔，而电源和接地布线通常则相反。有时，不同的电力网将需要不同的宽度，具体取决于它们承载的电流水平。为了帮助布局设计师应对这些挑战，PCB 设计工具通常具有约束管理系统来设置走线宽度和间距规则。

在上图中，您可以在 Cadence 的 Allegro PCB 编辑器工具中看到约束管理器的图片。有了它，您可以根据需要为任意数量的不同网络输入各种宽度，以及它们自己独特的间隙和首选过孔。此外，约束管理器允许用户设置可以分配特定网络的网络类。这使您能够为一组相似的网络创建规则集，这样您就不必更改每个单独的网络。但是，这只是约束管理器为您提供的功能的开始。

使用约束管理器，您可以为高速设计拓扑和走线长度设置规则。您还可以为 PCB 装配创建规则，以管理组件之间的间距或应如何将阻焊层应用于细间距零件。甚至还有一个用于设置电气规则的部分，以便您根据信号的时序和延迟值进行设计。凭借约束管理器的多功能性，您将拥有在 PCB 设计中使用缝合通孔布线所需的能力。