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大電流電路板設計入門(mén)
大電流電路板設計入門(mén)
以高電流或高電壓運行的系統面臨著(zhù)一系列獨特的挑戰，這些挑戰在小型數字系統中是看不到的。操作員可能會(huì )暴露在不安全的條件下，設計可能會(huì )因熱量或靜電放電而失敗。但是，正確的PCB設計決策有助于降低與電力電子設備交互的風(fēng)險。在本指南中，我們將了解在大電流電路板設計中要考慮的一些基本設計點(diǎn)。在某些情況下，大電流電路板設計中涉及的布局和安全考慮與高壓設計中的類(lèi)似，尤其是當我們考慮安全性時(shí)。
大電流電路板布局的基礎知識
有一些不需要在高壓下運行的大電流PCB設計的很好的例子。此外，“高電壓”與“高電流”的概念有些武斷。區分這些類(lèi)型設計的最佳指標可能是安全性。如果由于直流電流而存在觸電或過(guò)熱的風(fēng)險，那么您可能需要應用其中一些設計原則來(lái)確保安全性和可靠性。
元件選擇
大電流設計和電源系統通常從組件中獲得大部分可靠性。聽(tīng)起來(lái)很明顯，請確保在選擇過(guò)程中考慮到組件的安全裕度。一般來(lái)說(shuō)，最好從查看兩個(gè)規范開(kāi)始：
額定電流，特別是MOSFET和電感元件
熱阻值（如果有）
您可以使用估計或設計的工作電流來(lái)確定功耗，或使用上述第一個(gè)規范來(lái)獲得最壞情況下的值。這兩者都將有助于熱管理，這需要使用熱阻值來(lái)估計溫度。對于某些組件，您可以確定是否需要散熱器來(lái)確?？煽啃?。
對大電流電路板很重要的其他組件（例如連接器）可能具有非常高的額定值，并且在電力系統中很有用。下面顯示了可以處理非常高電流的兩個(gè)機械螺釘端子連接器示例。
選擇合適的銅重量
走線(xiàn)中使用的銅電阻會(huì )產(chǎn)生一些直流功率損耗，這些損耗會(huì )以熱量的形式消散。對于電流非常大的設計，這變得非常重要，尤其是在元件密度很高的情況下。防止大電流PCB中直流損耗的唯一方法是使用具有較大橫截面積的銅。這意味著(zhù)，要么需要較重的銅，要么需要更寬的走線(xiàn)以保持焦耳熱和功率損耗足夠低。使用PCB走線(xiàn)寬度與電流表來(lái)確定防止過(guò)度溫升所需的銅重量和/或走線(xiàn)寬度。
做大：使用平面而不是軌跡
如果您必須將非常高的電流引入電源系統，并且走線(xiàn)太寬而無(wú)法滿(mǎn)足您的需求，請使用電源層而不是走線(xiàn)。舉個(gè)例子，在我們過(guò)去做過(guò)的 Eurocard 格式背板中，我們使用多個(gè)電源層從兩個(gè)專(zhuān)用低壓（最大 24 V）電源提供100 A電流。當您需要支持極端電流時(shí)，您可以在其他系統中使用相同的策略。
覆銅熱通孔
在空氣滯留的電路板外殼內，如果僅依靠傳導或自然對流，則很難將熱量從設備中轉移出去。熱通孔可以放置在板上，表面層有銅，通過(guò)提供與平面層 (GND) 的直接連接，提供額外的熱量從某些組件轉移出去。這可用于靠近熱元件或走線(xiàn)的電路，只是為了提供一些遠離表層的額外熱傳導，但不應在需要隔離的情況下使用，例如電源變壓器的初級和次級匝之間。
盡管熱通孔有利于針對特定組件，但更好的策略是考慮如何使用大型散熱器或直接傳導至外殼的路徑來(lái)提供高散熱。
注意接地
大電流系統可能需要使用同一種安全故障措施。通過(guò)適當的接地策略可以實(shí)現一定程度的安全性和 EMI。通常，您不應分開(kāi)接地，但涉及高電流和/或高電壓的電力系統是一個(gè)例外。接地需要在輸入交流、非穩壓直流和穩壓直流部分之間分開(kāi)。
一個(gè)很好的起點(diǎn)是您可以在交流系統或隔離電源中找到的接地策略。通常，對于大電流電源系統，您將采用3線(xiàn)直流布置（PWR、COM、GND），其中GND連接實(shí)際上是接地連接。您的電路板可能使用隔離策略，其中輸出側與GND斷開(kāi)，而輸入側接地以確保發(fā)生故障時(shí)的安全。
使用較厚的電路板
起初，這似乎違反直覺(jué)。你會(huì )認為更薄的電路板可以提供更大的遠離組件的傳導，那么為什么要使用更厚的電路板。事實(shí)上，當使用非標準板厚時(shí)，板內熱阻會(huì )更低，板的熱質(zhì)量會(huì )更高。較厚的電路板（2 或 3 毫米）還可以為大電流電路板中較大的組件提供更大的機械支撐，特別是板上安裝的電感組件和大型散熱器。
ESD和安全
DC的這一部分存在其自身的一系列問(wèn)題，尤其是在電力系統中，尤其是在同時(shí)在高電壓和高電流下運行的設計中。要了解有關(guān)在高壓下運行的電源系統中的ESD保護的更多信息。