PCB 布局中高電流走線(xiàn)的過(guò)孔拼接

2021-06-03

PCB 布局中高電流走線(xiàn)的過(guò)孔拼接

電路板設計中，同樣的一般謹慎規則也適用。高電流是設計的必要條件，但如果您在 PCB 布局中沒(méi)有給予適當的尊重，它也會(huì )導致一些令人不快的后果。

電源和接地必須在您的設計中進(jìn)行管理，并正確分配到它們所連接的不同組件。用于管理 PCB 布局中的高電流的一種技術(shù)是縫合過(guò)孔，它可以幫助通過(guò)電路板傳輸電流的熱量和能量。以下是有關(guān)在下一個(gè) PCB 設計中對高電流走線(xiàn)使用過(guò)孔拼接的更多信息。

電路板上的高電流問(wèn)題

許多系統在運行中會(huì )消耗大量電力，并且這些系統中的電路板需要傳導高電流。但是，如果電路板沒(méi)有針對該級別的電流正確設計，則它可能會(huì )出現電氣或結構故障。例如，沒(méi)有使用足夠金屬來(lái)傳導電流通過(guò)其電源層和走線(xiàn)的電路板可能會(huì )變得太熱。這種熱量如果分布不正確，可能會(huì )影響并非為此設計的組件的正常運行。最終，熱量會(huì )形成多米諾骨牌場(chǎng)景，越來(lái)越多的部件受到影響，最終導致電路板出現故障。

高電流對電路板的潛在負面影響的另一個(gè)例子是電路板結構的物理故障。用于制造原始電路板的材料會(huì )承受大量熱量，但只能達到一定程度。FR-4 是用于 PCB 制造的標準材料，其玻璃化轉變溫度 (Tg) 等級為 130 攝氏度。超過(guò)該點(diǎn)，其固體形式將變得不穩定并可能開(kāi)始熔化。然而，即使在達到該溫度之前，熱量最終可能會(huì )通過(guò)電路板上的任何細金屬跡線(xiàn)燃燒，從而形成開(kāi)路，就像保險絲熔斷一樣。

為避免這些和其他高電流問(wèn)題，必須注意如何在 PCB 布局中設計這些電路。

組件之間的短而直接的電源和模擬走線(xiàn)布線(xiàn)

高電流電路的電氣和熱考慮

高電流會(huì )在電路板中產(chǎn)生大量噪聲，尤其是與開(kāi)關(guān)電源相關(guān)的電流。打開(kāi)和關(guān)閉狀態(tài)之間的切換會(huì )產(chǎn)生 EMI，其強度會(huì )隨著(zhù)切換上升時(shí)間的增加而增加。雖然這個(gè)問(wèn)題可以被過(guò)濾掉，但也可以通過(guò)以下一些旨在降低噪聲的 PCB 布局技術(shù)來(lái)控制。

電源電路中的組件應放置得足夠近，以便進(jìn)行短而直接的走線(xiàn)連接，同時(shí)不違反以下可制造性 (DFM) 設計規則：

電源組件應全部位于電路板的同一側，以消除對板內布線(xiàn)的需要。 

電源的大電流組件，如電感器和 IC，應盡可能彼此靠近以實(shí)現最短連接。 

像這樣放置在一起的組件，電源部件內的布線(xiàn)應該非常直接。您將希望走線(xiàn)盡可能寬，以保持低電感并降低 EMI 的可能性。 

這種策略可以讓您更好地控制電源電路中高電流的電氣和熱問(wèn)題，但仍然存在將高電流路由到電路板其他點(diǎn)的問(wèn)題。像這樣路由大電流時(shí)的熱問(wèn)題將需要更多的金屬，這可能需要在不止一層上路由。這就是在高電流走線(xiàn)中使用縫合通孔可以提供幫助的地方。

用三個(gè)過(guò)孔縫合到另一層上的走線(xiàn)的電源走線(xiàn)

PCB布局中高電流走線(xiàn)的過(guò)孔拼接

在布線(xiàn)大電流走線(xiàn)時(shí)，最好使用盡可能多的金屬以減少熱量并降低電感。然而，很多時(shí)候，電路板的一層上沒(méi)有足夠的空間讓電源走線(xiàn)達到所需的寬度。解決方案是在電路板的多層上布線(xiàn)電源走線(xiàn)。通過(guò)將不同層上的走線(xiàn)與過(guò)孔縫合在一起，您將有效地將載流能力與單層上的載流能力相乘。在上圖中，您可以看到電路板內部層上的電源走線(xiàn)，其中有三個(gè)縫合通孔，可與相鄰層上的配套走線(xiàn)連接。這可以為電路板外部層上的其他布線(xiàn)或附加組件騰出空間。

需要注意的是，在高電流走線(xiàn)中仍然會(huì )產(chǎn)生大量熱量。通過(guò)將多條電源走線(xiàn)與內部層上的過(guò)孔縫合在一起，您將為更多金屬提供一種共享熱量的方式，但仍然需要散熱。這可以通過(guò)熱通孔來(lái)實(shí)現，這些通孔將熱量傳導到電路板外層的金屬平臺上進(jìn)行冷卻。為大電流走線(xiàn)提供的冷卻越多，電路板的運行效果就越好，并且受到熱損壞的可能性就越小。

以下是您在規劃設計時(shí)需要牢記的其他一些高電流布局注意事項：

PCB 制造：如果您的電路板在高電流下運行時(shí)會(huì )非常熱，最好探索其他可以承受更高工作溫度的材料。盡管這些材料可能更昂貴，但從長(cháng)遠來(lái)看，它們最終可能會(huì )避免與熱相關(guān)的問(wèn)題，從而為您節省開(kāi)支。您還應該與您的制造商合作，為您的高電流板開(kāi)發(fā)最佳的層堆疊配置和電源平面策略。

電路板厚度：通過(guò)增加電路板的厚度，您可以增加銅的重量，從而獲得更厚的走線(xiàn)。這可能允許您減小走線(xiàn)寬度，從而留出更多布線(xiàn)和組件放置空間。與任何制造問(wèn)題一樣，在將這些更改包含在設計中之前，應與您的制造商達成一致。

自動(dòng)化組裝：正如我們所見(jiàn)，由于電氣和熱學(xué)原因，更高的電流需要更多的金屬。但與此同時(shí)，在操作過(guò)程中散發(fā)不希望有的熱量的相同金屬也可能給 PCB 組裝帶來(lái)問(wèn)題。大面積的金屬會(huì )對較小的部件產(chǎn)生熱不平衡，從而影響其焊接。為避免這種情況，請確保在將部件直接連接到寬跡線(xiàn)或大面積金屬時(shí)使用散熱片。

元件放置：如果可以避免，則不應將承載高電流和發(fā)熱的部件放置在板的邊緣。通過(guò)將這些部件更靠近電路板的中心放置，電路板自然散熱的空間更大。

在所有這些設計技術(shù)中，您所擁有的最佳資產(chǎn)是您的 PCB 設計工具中的特性和功能，我們將在接下來(lái)進(jìn)行介紹。

Allegro PCB Editor 中的約束管理器用于設置電源設計規則

在布置高電流走線(xiàn)時(shí)充分利用您的 PCB 設計工具

布線(xiàn)印刷電路板通常需要多種走線(xiàn)寬度和通孔，具體取決于布線(xiàn)的內容。信號走線(xiàn)需要細走線(xiàn)和小過(guò)孔，而電源和接地布線(xiàn)通常則相反。有時(shí)，不同的電力網(wǎng)將需要不同的寬度，具體取決于它們承載的電流水平。為了幫助布局設計師應對這些挑戰，PCB 設計工具通常具有約束管理系統來(lái)設置走線(xiàn)寬度和間距規則。

在上圖中，您可以在 Cadence 的 Allegro PCB 編輯器工具中看到約束管理器的圖片。有了它，您可以根據需要為任意數量的不同網(wǎng)絡(luò )輸入各種寬度，以及它們自己獨特的間隙和首選過(guò)孔。此外，約束管理器允許用戶(hù)設置可以分配特定網(wǎng)絡(luò )的網(wǎng)絡(luò )類(lèi)。這使您能夠為一組相似的網(wǎng)絡(luò )創(chuàng )建規則集，這樣您就不必更改每個(gè)單獨的網(wǎng)絡(luò )。但是，這只是約束管理器為您提供的功能的開(kāi)始。

使用約束管理器，您可以為高速設計拓撲和走線(xiàn)長(cháng)度設置規則。您還可以為 PCB 裝配創(chuàng )建規則，以管理組件之間的間距或應如何將阻焊層應用于細間距零件。甚至還有一個(gè)用于設置電氣規則的部分，以便您根據信號的時(shí)序和延遲值進(jìn)行設計。憑借約束管理器的多功能性，您將擁有在 PCB 設計中使用縫合通孔布線(xiàn)所需的能力。