電力電子課程第 4 部分： PCB設(shè)計

通常，設(shè)計人員只關(guān)注電源組件和最大化使用能量的最佳技術(shù)。但是他們忘記了研究最好的 PCB 解決方案及其相關(guān)的最佳電子元件布置。最近，項目已經(jīng)基于采用能夠承受大工作功率的高度集成的組件。高電流和電壓的管理需要非常復(fù)雜的技術(shù)挑戰(zhàn)。印刷電路板是熱量必須通過的第一個障礙，它們需要以最佳方式進(jìn)行設(shè)計。

設(shè)計人員必須考慮各個方面，例如，軌道的最佳位置、最佳間距，最重要的是，它們在以最佳方式運行的同時承受高電流的能力。第一個基本規(guī)則涉及以初步的方式突出顯示，最大功率路徑以及將填充它們的功率組件。事實上，軌道會受到高溫的影響，并且由于銅的高導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，高溫很容易侵入電路的所有區(qū)域。為了使走線的計算和分析復(fù)雜化，還有其他參數(shù)，例如 PCB 使用的材料、設(shè)計周圍的環(huán)境溫度、板上組件的密度以及使用的冷卻技術(shù). 元器件的定位也決定了大功率電路的成敗。在特別關(guān)鍵的熱條件下工作的那些必須均勻分布在電路上以改善熱管理。設(shè)計師必須特別注意軌道的路徑。必須考慮與電流和溫度升高相關(guān)的斜坡的最小寬度。如果可能的話，與技術(shù)上可能的最小寬度相比，稍微增加軌道的寬度總是更好。走線的計算不僅涉及其寬度，還涉及銅的厚度。具有較大銅厚度的集管允許在相同條件下減小它們的寬度。下表(見圖表 具有較大銅厚度的集管允許在相同條件下減小它們的寬度。下表(見圖表 具有較大銅厚度的集管允許在相同條件下減小它們的寬度。下表(見圖表圖 2)顯示了印刷電路走線的最小寬度，知道必須通過它的電流。同一張表是指銅厚為 35 微米的 PCB，最大期望溫升為 10°C。

圖 2：該圖顯示了與傳輸中電流相關(guān)的走線寬度

顯然，對于 10 A 以上的電流，采用其他方法比使用簡單的 PCB 更方便。設(shè)計師可以使用的一個方便的公式，記住采用 35 微米的銅厚度，如下所示：

在圖 3中，我們可以觀察到與 USB 隨身碟相比，PCB 走線的各種寬度的一些表示。該圖還顯示了最常見電纜的直徑，以及它們支持的電流。

圖 3：不同尺寸的 PCB 軌道和電纜

另一方面，圖 4顯示了由不同寬度的銅跡線形成的假設(shè) PCB 的模擬。它們通過相同的電流值，盡管受到相同的對流冷卻，但它們的工作溫度不同。簡而言之，可以看出，較寬的軌道保持較冷，傳輸和對流冷卻的電流相同。

圖 4：當(dāng)流過相同數(shù)量的電流時，PCB 中銅跡線的不同行為。

首先是電源轉(zhuǎn)換效率。轉(zhuǎn)換效率是指電源的輸出功率與實際消耗的輸入功率之比，在實際應(yīng)用中，電能不能完全轉(zhuǎn)化，中間會有一定的能量消耗，所以，無論哪種電路，在電源轉(zhuǎn)換中必然存在效率問題。對于線性電源，需要考慮 LDO 的散熱問題;對于開關(guān)電源，要考慮開關(guān)管的損耗問題。

其次，有能量損耗就必然會產(chǎn)生熱量，這就涉及到散熱的問題。除此之外，隨著負(fù)載變重，促使電源芯片的功耗加大，所以，在電源設(shè)計中熱分布是個不得不考慮的問題。

再者是電源平面完整性設(shè)計。保持電源的完整性，就是保持電源的穩(wěn)定供電。在實際系統(tǒng)中，總是存在不同頻率的噪聲。比如 PWM 的固有頻率或 PFM 可變頻率控制信號，快速的 di/dt 會產(chǎn)生電流波動的信號，所以一個低阻抗的電源平面設(shè)計是必要的。

最后是 EMI(電磁干擾)問題。開關(guān)電源在不斷的開和關(guān)就會產(chǎn)生開關(guān)噪聲，如果在設(shè)計過程中沒有考慮回路電感問題，過大的回流路徑會產(chǎn)生 EMI 問題。

結(jié)論

在電源電路的計算和分析中，通常會忽略電纜和 PCB。

設(shè)計師應(yīng)該特別注意它們，因為有效的設(shè)計有助于避免許多沒有扎實的初步準(zhǔn)備就無法解決的問題。