大電流電路板設計入門(mén)

2021-11-12

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，這些挑戰在較小的數字系統中是看不到的。操作員可能會(huì )暴露在不安全的環(huán)境中，并且設計可能會(huì )因熱量或靜電放電而失敗。然而，正確的PCB設計決策有助于降低與電力電子設備交互所涉及的風(fēng)險。在本指南中，我們將介紹在高電流電路板設計中要考慮的一些基本設計要點(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電壓設計中的相似，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

有一些高電流PCB設計的好例子，它們不一定在高電壓下運行。此外，“高電壓”與“高電流”的概念有點(diǎn)武斷。區分這些類(lèi)型設計的較佳指標可能是安全性。如果直流電流存在觸電或過(guò)熱的風(fēng)險，那么您可能需要應用其中的一些設計原則來(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。盡管聽(tīng)起來(lái)很明顯，但請確保在選擇期間考慮組件的安全裕度。一般來(lái)說(shuō)，建議先看兩個(gè)規格：

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，或使用上面的第一個(gè)規格來(lái)獲得較壞情況下的值。這兩者都有助于熱管理，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以確?？煽啃?。

其他對大電流電路板很重要的組件（例如連接器）可能具有非常高的額定值，并且在電源系統中非常有用。下面顯示了可以處理非常高電流的機械螺釘端子連接器的兩個(gè)示例。

 

選擇合適的銅重量

走線(xiàn)中使用的銅的電阻會(huì )產(chǎn)生一些直流功率損耗，這些損耗會(huì )以熱量的形式散失。對于非常大的電流設計，這變得非常重要，特別是當組件密度很高時(shí)。防止大電流PCB中直流損耗的方法是使用橫截面積更大的銅。這意味著(zhù)，要么需要更重的銅，要么需要更寬的走線(xiàn)以保持足夠低的焦耳熱和功率損耗。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。

變得更大：使用平面而不是軌跡

如果您必須將非常高的電流輸入電源系統，而走線(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)去所做的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（24 V）電源提供100 A的電流。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。

覆銅散熱孔

在空氣停滯的電路板外殼內，如果您僅依靠傳導或自然對流，則很難將熱量從設備中轉移出去。熱通孔可以放置在表面層有銅的電路板上，通過(guò)提供到平面層 (GND) 的直接連接來(lái)提供額外的熱傳遞，從而遠離某些組件。這可用于靠近熱元件或走線(xiàn)的電路，以提供遠離表面層的額外熱傳導，但不應在需要隔離的情況下使用，例如在電源變壓器的初級和次級匝之間。

雖然散熱孔有利于針對特定組件，但更好的策略是考慮如何使用大散熱器或直接傳導路徑到外殼來(lái)提供高散熱。下面顯示了一組并聯(lián)MOSFET的示例。

 

注意地面

大電流系統可能需要使用相同類(lèi)型的安全故障措施。通過(guò)適當的接地策略可以實(shí)現一定程度的安全和EMI。通常，您不應分割接地，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)是交流系統或隔離電源中的接地策略。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)連接，而輸入側接地以確保發(fā)生故障時(shí)的安全。

使用更厚的電路板

乍一看，這似乎違反直覺(jué)。您會(huì )認為更薄的電路板可以提供更好的遠離組件的傳導，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)，面內熱阻會(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元件提供更大的機械支撐，尤其是安裝在板上的電感元件和大型散熱器。

ESD和安全

直流的這一部分存在其自身的一系列問(wèn)題，特別是在電力系統中，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，請閱讀有關(guān)常見(jiàn)ESD電路設計的指南。