如何實(shí)現(xiàn)卓越的大電流 PCB 設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)任何 PCB 都具有挑戰(zhàn)性，尤其是當(dāng)設(shè)備越來(lái)越小的時(shí)候。大電流 PCB 設(shè)計(jì)甚至更加復(fù)雜，因?yàn)樗粌H面臨同樣的障礙，而且還需要考慮一系列獨(dú)特的因素。

專家預(yù)測(cè)，到 2030 年，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的年增長(zhǎng)率將達(dá)到兩位數(shù)，對(duì)高功率設(shè)備的需求可能會(huì)上升。為了應(yīng)對(duì)這一趨勢(shì)，以下是優(yōu)化大電流電子產(chǎn)品 PCB 設(shè)計(jì)的七個(gè)步驟。

1. 確保足夠的走線尺寸

走線尺寸是高電流 PCB 最重要的設(shè)計(jì)考慮因素之一。銅走線趨向于微型化，以實(shí)現(xiàn)更緊湊的設(shè)計(jì)，但這在較高電流下行不通。較小的橫截面積會(huì)導(dǎo)致通過散熱造成功率損失，因此您需要適當(dāng)較大的走線尺寸。

您可以通過調(diào)整兩個(gè)因素來(lái)改變走線的橫截面積：走線的寬度和銅的厚度。平衡這兩個(gè)因素是減少功率損耗和保持理想 PCB 尺寸的關(guān)鍵。

使用PCB 走線寬度計(jì)算器來(lái)查找哪些寬度和厚度可以支持設(shè)備所需的電流類型。使用這些工具時(shí)，請(qǐng)謹(jǐn)慎行事，并設(shè)計(jì)走線尺寸以支持比您認(rèn)為需要的更高的電流。

2. 重新考慮組件的放置

元件布局是高電流 PCB 設(shè)計(jì)中另一個(gè)重要的考慮因素。MOSFET 和類似元件會(huì)產(chǎn)生大量熱量，因此盡可能將它們與其他高熱或溫度敏感點(diǎn)隔開非常重要。在處理不斷縮小的外形尺寸時(shí)，這并不總是容易做到的。

放大器和轉(zhuǎn)換器應(yīng)與 MOSFET 和其他發(fā)熱元件保持適當(dāng)?shù)木嚯x。雖然將高功率區(qū)域放在邊緣可能很誘人，但這樣無(wú)法實(shí)現(xiàn)均勻的溫度分布。相反，應(yīng)將它們線性地放置在電路板上，以保持能量和熱量更均勻。

通過首先處理影響最大的區(qū)域，可以更輕松地確定理想的組件。首先確定高熱組件的理想位置。一旦您知道將這些組件放在哪里，您就可以用其余組件填補(bǔ)空白。

3.優(yōu)化熱管理

同樣，大電流 PCB 也需要特別注意熱管理。對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用來(lái)說，這意味著將內(nèi)部溫度保持在 130 攝氏度以下——這是 FR4 層壓板的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。優(yōu)化元件布局會(huì)有所幫助，但您的散熱措施必須更進(jìn)一步。

自然對(duì)流冷卻可能足以滿足小型消費(fèi)設(shè)備 PCB 的要求，但對(duì)于高功率應(yīng)用則不然。機(jī)械散熱器可能是必要的。諸如風(fēng)扇或 MOSFET 周圍的液體冷卻系統(tǒng)之類的主動(dòng)冷卻也可以提供幫助。但是，某些設(shè)備設(shè)計(jì)可能不夠大，無(wú)法容納傳統(tǒng)的散熱器或主動(dòng)冷卻。

對(duì)于尺寸較小但功率較高的 PCB，熱通孔是一種不錯(cuò)的選擇。澆注的高導(dǎo)熱性金屬具有一系列孔，可防止熱量從 MOSFET 或類似元件傳出，避免熱量到達(dá)更敏感的區(qū)域。

4. 使用適當(dāng)?shù)牟牧?

在優(yōu)化熱管理和確保組件能夠承受更高電流時(shí)，材料選擇將發(fā)揮重要作用。這適用于您的 PCB 組件和基板。

雖然 FR4 是最常見的基板，但它并不總是高電流 PCB 設(shè)計(jì)的最佳選擇。金屬芯 PCB 可能是理想的選擇，因?yàn)樗鼈兤胶饬?FR4 等基板的絕緣性和成本效益以及高導(dǎo)電性金屬的強(qiáng)度和溫度位移?；蛘撸恍┲圃焐躺a(chǎn)您可以考慮的專用耐熱層壓板。

同樣，您只應(yīng)使用熱阻值較高的組件。有時(shí)，這意味著選擇更耐熱的材料，而在其他情況下，則意味著使用相同材料的更厚組件。哪種選擇最好取決于您的 PCB 尺寸、預(yù)算和可用的供應(yīng)商。

5. 完善質(zhì)量控制流程

大電流 PCB 的可靠性還與生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤有關(guān)。如果制造過程不能發(fā)現(xiàn)并解決抵消其優(yōu)勢(shì)的缺陷，上述四種設(shè)計(jì)選擇將不會(huì)帶來(lái)太大的改進(jìn)。對(duì)原型迭代進(jìn)行更可靠的質(zhì)量檢查同樣重要。

使用正確的工具來(lái)評(píng)估 PCB 的質(zhì)量是這一領(lǐng)域最重要的考慮因素之一。數(shù)字光學(xué)比較器比傳統(tǒng)方法更可取，因?yàn)槟０搴透采w層會(huì)隨著時(shí)間的推移而拉伸和扭曲，從而影響其可靠性。您還應(yīng)考慮使用易于自動(dòng)化的工具，以最大限度地降低人為錯(cuò)誤的風(fēng)險(xiǎn)。

無(wú)論您使用哪種具體方法和技術(shù)，跟蹤所有缺陷都至關(guān)重要。隨著時(shí)間的推移，這些數(shù)據(jù)可以揭示問題出現(xiàn)的趨勢(shì)，從而為更可靠的 PCB 設(shè)計(jì)變更提供信息。

6.可制造性設(shè)計(jì)

高電流 PCB 設(shè)計(jì)中一個(gè)類似且經(jīng)常被忽視的因素是確保易于制造。如果生產(chǎn)錯(cuò)誤如此常見，以至于設(shè)備很少達(dá)到紙面上的規(guī)格，那么 PCB 理論上的可靠性就毫無(wú)意義了。

解決方案是盡可能避免過于復(fù)雜或錯(cuò)綜復(fù)雜的設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)大電流 PCB 時(shí)，請(qǐng)牢記制造流程，考慮這些工作流程如何生產(chǎn)它們以及可能出現(xiàn)哪些問題。制造過程越簡(jiǎn)單，越不出錯(cuò)，它們就越可靠。

此步驟需要與生產(chǎn)方利益相關(guān)者密切合作。如果您不自行處理制造，請(qǐng)讓您的生產(chǎn)合作伙伴參與設(shè)計(jì)階段，并就潛在的可制造性問題征求他們的意見。

7. 利用技術(shù)為自己謀利

新的規(guī)劃和生產(chǎn)技術(shù)可以使平衡這些考慮變得更容易。3D 打印帶來(lái)了更多的設(shè)計(jì)靈活性，可以實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的 PCB 布局，而不會(huì)出現(xiàn)生產(chǎn)錯(cuò)誤的風(fēng)險(xiǎn)。它的精度還可以讓你確保銅線沿著曲線而不是直角走，以減少其長(zhǎng)度并最大限度地降低功率損耗。

人工智能是另一項(xiàng)值得研究的技術(shù)。人工智能 PCB 工具可以自動(dòng)放置組件或突出顯示潛在的設(shè)計(jì)問題，以防止錯(cuò)誤在現(xiàn)實(shí)世界中出現(xiàn)。類似的解決方案可以模擬不同的測(cè)試環(huán)境，以在生產(chǎn)物理原型之前評(píng)估 PCB 的性能。

制造階段的自動(dòng)化也有類似的好處。Marelli Holdings 旗下的一家斯洛伐克 PCB 生產(chǎn)廠通過在芯片制造中引入?yún)f(xié)作機(jī)器人，將其裝配速度提高了 25% ，并最大限度地減少了操作錯(cuò)誤。

大電流 PCB 設(shè)計(jì)需要格外注意

設(shè)計(jì)可靠的大電流 PCB 并不容易，但并非不可能。遵循這七個(gè)步驟將幫助您優(yōu)化設(shè)計(jì)流程，以創(chuàng)建更有效的大功率設(shè)備。

隨著工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，這些考慮將變得更加重要?，F(xiàn)在接受它們將是未來(lái)持續(xù)成功的關(guān)鍵。