通過(guò)過(guò)孔縫制PCB布局中的大電流走線(xiàn)

2021-05-26

通過(guò)過(guò)孔縫制PCB布局中的大電流走線(xiàn)

電路板上大電流走線(xiàn)的潛在問(wèn)題。

布線(xiàn)電源走線(xiàn)和使用大電流縫合過(guò)孔的設計技巧。

使用您的PCB設計工具來(lái)幫助進(jìn)行電源布線(xiàn)。

在電路板設計中，同樣的一般警告規則也適用。高電流是設計的必要條件，但是如果您在PCB布局中未給予應有的重視，它也可能導致一些不愉快的后果。

必須在設計中管理電源和地，并正確分配給它們所連接的不同組件。用來(lái)管理PCB布局中大電流的一種技術(shù)是縫合過(guò)孔，它可以幫助通過(guò)電路板傳遞電流的熱量和能量。這是有關(guān)在下一個(gè)PCB設計中使用過(guò)孔縫合處理大電流走線(xiàn)的更多信息。

電路板上的大電流問(wèn)題

許多系統在其操作中會(huì )消耗大量功率，并且這些系統中的電路板將需要傳導大電流。但是，如果沒(méi)有針對該電流水平正確設計電路板，則該電路板可能會(huì )在電氣上或在結構上發(fā)生故障。例如，一塊電路板使用的金屬量不足，無(wú)法通過(guò)其電源層傳導電流，走線(xiàn)可能會(huì )變得過(guò)熱。如果散熱不正確，則會(huì )影響未為其專(zhuān)門(mén)設計的組件的正常運行。最終，熱量將產(chǎn)生一個(gè)多米諾骨牌場(chǎng)景，越來(lái)越多的零件受到影響，最終導致電路板故障。

高電流可能對電路板造成負面影響的另一個(gè)示例是電路板結構的物理故障。原始電路板制造中使用的材料可以承受很多熱量，但只能承受一定程度的熱量。FR-4是用于PCB制造的標準材料，玻璃化轉變溫度（Tg）額定值為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。但是，即使在未達到該溫度之前，熱量也可能最終通過(guò)板上的任何細金屬跡線(xiàn)燃燒，從而形成斷路，例如保險絲熔斷。

為避免這些和其他大電流問(wèn)題，必須謹慎設計這些電路在PCB布局中的設計方式。

組件之間的短而直接的電源和模擬走線(xiàn)路由

大電流電路的電氣和熱量考慮

高電流會(huì )在電路板上產(chǎn)生大量噪聲，尤其是與開(kāi)關(guān)電源相關(guān)的電流。接通和斷開(kāi)狀態(tài)之間的切換將產(chǎn)生EMI，EMI的強度將隨著(zhù)開(kāi)關(guān)的上升時(shí)間的增加而增加。雖然可以解決此問(wèn)題，但也可以使用以下一些旨在降低噪聲的PCB布局技術(shù)來(lái)控制該問(wèn)題。

電源電路中的組件應放置得足夠近，以進(jìn)行短而直接的走線(xiàn)連接，同時(shí)又不要破壞以下針對可制造性（DFM）規則的設計：

電源組件應全部位于板的同一側，以消除板內布線(xiàn)的需要。 

電源的大電流組件（例如電感器和IC）應盡可能靠近，以實(shí)現最短的連接。 

像這樣將組件放在一起，布線(xiàn)應該在電源部件內非常直接。您將希望走線(xiàn)盡可能寬，以保持較低的電感并降低EMI的可能性。 

這種策略將使您更好地控制電源電路中存在大電流的電氣和散熱問(wèn)題，但是仍然存在將大電流路由到電路板上其他點(diǎn)的問(wèn)題。這樣的大電流布線(xiàn)中的熱問(wèn)題將需要更多的金屬，這可能需要在不止一層上布線(xiàn)。在這里，在大電流走線(xiàn)中使用縫合過(guò)孔會(huì )有所幫助。

用三個(gè)通孔縫合到另一層上的走線(xiàn)的電源走線(xiàn)

通過(guò)過(guò)孔縫合可在PCB布局中形成大電流走線(xiàn)

在布線(xiàn)大電流走線(xiàn)時(shí)，總是最好使用盡可能多的金屬以減少熱量并降低電感。但是，很多時(shí)候板上的空間不足以使電源走線(xiàn)達到所需的寬度。解決方案是在電路板上的多層走線(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)縫合過(guò)孔，可與相鄰層上的配套走線(xiàn)連接。這樣可以騰出空間用于板子外部層上的其他布線(xiàn)或其他組件。

需要注意的是，在大電流走線(xiàn)上還會(huì )產(chǎn)生大量的熱量。通過(guò)將多個(gè)電源走線(xiàn)和內部層上的過(guò)孔縫合在一起，您將為更多的金屬提供熱量共享的途徑，但是仍然需要進(jìn)行散熱。這可以通過(guò)熱過(guò)孔來(lái)完成，該過(guò)孔將熱量傳導到板的外層上的金屬焊盤(pán)上以進(jìn)行冷卻。您可以為大電流走線(xiàn)提供的散熱量越多，電路板的性能就越好，遭受熱損壞的可能性也就越小。

在規劃設計時(shí)，還應牢記一些其他當前需要考慮的布局問(wèn)題：

PCB制造：如果您的電路板要在高電流下非常熱地運行，則最好探索其他可以承受更高工作溫度的材料。盡管這些材料的成本可能更高，但從長(cháng)遠來(lái)看，它們可能會(huì )避免與熱有關(guān)的問(wèn)題，從而為您節省開(kāi)支。您還應該與制造商一起為大電流電路板開(kāi)發(fā)最佳的層堆疊配置和電源平面策略。

板的厚度：通過(guò)增加板的厚度，可以增加銅的重量，從而使走線(xiàn)更粗。這可以允許您減小走線(xiàn)寬度，從而留出更多的布線(xiàn)空間和元件放置空間。與任何制造問(wèn)題一樣，在將其包含在設計中之前，應與制造商就這些更改達成一致。

自動(dòng)化組裝：如我們所見(jiàn)，由于電流和電氣原因，更高的電流需要更多的金屬。但是，與此同時(shí)，在操作過(guò)程中會(huì )散發(fā)不希望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 )導致較小零件的熱不平衡，從而影響其焊接。為避免這種情況，將零件直接連接到寬導線(xiàn)或大面積金屬時(shí)，請確保使用散熱片。

元件放置：如果可以避免，則應將載有高電流和高溫的元件放置在電路板的邊緣。通過(guò)將這些零件更多地放置在電路板的中央，可以為電路板自然散熱提供更大的空間。

在所有這些設計技術(shù)中，為您工作的最佳資產(chǎn)是PCB設計工具中的功能，我們將在下面進(jìn)行介紹。

Allegro PCB編輯器中的約束管理器用于設置電源設計規則

在布設高電流走線(xiàn)時(shí)充分利用您的PCB設計工具

路由印刷電路板通常需要多個(gè)走線(xiàn)寬度和過(guò)孔，具體取決于要路由的內容。信號走線(xiàn)需要較細的走線(xiàn)和較小的通孔，而電源和接地布線(xiàn)通常則相反。有時(shí)，不同的電源網(wǎng)將需要不同的寬度，具體取決于它們所承載的電流水平。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。

在上面的圖片中，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，您可以根據需要為許多不同的網(wǎng)輸入各種寬度，以及它們自己的獨特間距和首選的通孔。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)。這使您能夠為一組類(lèi)似的網(wǎng)絡(luò )創(chuàng )建規則集，從而不必更改每個(gè)單獨的網(wǎng)絡(luò )。但是，這僅僅是約束管理器為您提供的功能的開(kāi)始。

使用約束管理器，可以為高速設計拓撲和跡線(xiàn)長(cháng)度設置規則。您還可以為PCB組裝創(chuàng )建規則，以控制組件之間的間距或應如何在細間距部件上應用阻焊劑。甚至還有一個(gè)部分可以設置電氣規則，以便您根據信號的時(shí)序和延遲值進(jìn)行設計。借助約束管理器的多功能性，您將擁有通過(guò)縫合過(guò)孔布線(xiàn)所需的功率，以在PCB設計中實(shí)現大電流走線(xiàn)。