電路板著火了：PCB設(shè)計(jì)之熱管理

時(shí)間：2020-10-21 16:19:18

關(guān)鍵字： PCB 電路板

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[導(dǎo)讀]我記得第一次（也是唯一的一次）我的一個(gè)電路著火了。它從電阻開始噗的一聲冒煙并迅速傳播到附近的電容。幸運(yùn)的是，破壞很小，大部分元件都可以挽救。也許你會問為什么會這樣？是不是發(fā)生了短路？其實(shí)很簡單，我沒有考慮PCB上的高電流。

????? ??我記得第一次（也是唯一的一次）我的一個(gè)電路著火了。它從電阻開始噗的一聲冒煙并迅速傳播到附近的電容。幸運(yùn)的是，破壞很小，大部分元件都可以挽救。也許你會問為什么會這樣？是不是發(fā)生了短路？其實(shí)很簡單，我沒有考慮PCB上的高電流。我記得那是我剛參加工作的時(shí)候，在某研究所為船舶用高壓共軌電噴系統(tǒng)開發(fā)電控單元和噴嘴驅(qū)動系統(tǒng)。著火部位位于繼電器開關(guān)的MOS管驅(qū)動電路。幸虧當(dāng)時(shí)我是在面包板上搭建驅(qū)動模塊，其中選用的一個(gè)電阻功率不夠。我需要一個(gè)1到2瓦的大個(gè)電阻，結(jié)果當(dāng)時(shí)手頭沒有，就隨便拿了個(gè)常用的四分之一瓦同樣阻值電阻試試。結(jié)果一上電就噗的一聲燒黑掉了！嚇?biāo)廊税∮H娘的，非常感謝當(dāng)時(shí)的領(lǐng)導(dǎo)，和藹可親地說：“沒關(guān)系，你們電子專業(yè)可以大膽嘗試，允許犯錯(cuò)，不斷改進(jìn)。不像我們是機(jī)械和內(nèi)燃機(jī)專業(yè)，多人大系統(tǒng)，犯錯(cuò)成本高，改動不方便?！边@種鼓勵(lì)是跨行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)的魅力，閃閃發(fā)光！

?????? 上圖為色環(huán)電阻的型號，功率及大小。

?????? 上圖為各種不同功率大小的電阻實(shí)物圖。

??????言歸正傳。隨著電子產(chǎn)品繼續(xù)小型化，隨著更多功能被裝入更小的設(shè)備，這些系統(tǒng)的散熱需求也隨之增加。在高電流下工作的PCB尤其如此。特別是負(fù)載重的電源系統(tǒng)，例如電動汽車中使用的鋰離子電池，需要集成在PCB上的電源管理系統(tǒng)。以及大電流的驅(qū)動電路，都需要著重考慮散熱。設(shè)計(jì)師需要實(shí)施創(chuàng)意策略來管理大電流PCB中產(chǎn)生的熱量。

??????承載大電流的電路中功耗損失所產(chǎn)生的熱量應(yīng)梳離發(fā)熱器件以對抗溫升。大家都可能熟悉電腦處理器上使用的風(fēng)扇和散熱片。這些措施都可以從電路板轉(zhuǎn)移熱量，并與流通的空氣交換熱量。但在某些PCB器件中，尤其是小尺寸器件，可能無法安裝風(fēng)扇或散熱片。這就需要考慮其它的散熱途徑。

采用更厚的銅用于大電流

??????? 銅走線和過孔的電阻會導(dǎo)致基于PCB的器件發(fā)生顯著的功率損耗和發(fā)熱，特別是當(dāng)它們承載大電流時(shí)。具有較大橫截面積的電氣連接具有較低的電阻，這減少了熱量損失的量。

??????大多數(shù)PCB使用的銅量相當(dāng)于約1盎司每平方英尺。當(dāng)不方便使用風(fēng)扇或散熱片的時(shí)候，可以采取增加銅厚的方式。一個(gè)高電流的PCB應(yīng)該使用至少兩倍的銅量。工作電流超過10安培的電路應(yīng)該高達(dá)3或4盎司每平方英尺。

?????? PCB板的銅厚都是用oz來計(jì)算，1oz意思是1平方英尺的面積上平均銅箔的重量在28.35g，oz是單位ounce的縮寫，音譯為“盎司”，它是英制計(jì)量單位，作為重量單位時(shí)也稱為英兩。它是用單位面積的重量來表示銅箔的平均厚度。用公式來表示即，1OZ=28.35g/ FT2。

??????重量單位：1oz=28.35g(克） 1盎司=16打蘭（dram） 16盎司=1磅（pound）

??????換算方法介紹：銅箔的重量除以銅的密度和表面積即為銅箔厚度。

??????1平方英尺=929.0304平方厘米，銅密度=8.9kg/dm^3

??????設(shè)Copper厚為X，解方程：

X*929.0304平方厘米*8.9克/立方厘米=1oz=28.35克 X=0.0034287厘米=34.287um

??????所以1oz=34.287um。1OZ銅箔的厚度約為35um或者1.35mil。

?????? 上圖為1oz的銅厚PCB上通過電流與導(dǎo)線寬度的曲線表。供參考。

??????使用更大量的銅就需要增加PCB上走線的寬度。為了避免占用太大空間區(qū)域，導(dǎo)線也可以更深地嵌入放置在電路板中。比如放置導(dǎo)銅條。這也有助于將熱量散發(fā)到電路板本身和任何附近的散熱孔中。當(dāng)然，這可能需要使用較厚的電路板，此種情況適用于大電流設(shè)備。

使用散熱孔和散熱墊片

??????發(fā)熱器件周圍的空氣如果沒有流動就不能有效地疏通并發(fā)散熱量。而使用散熱孔可以將熱量從電路板中的關(guān)鍵電子元件轉(zhuǎn)移出去。散熱通孔是電路板頂層和底層之間的良好導(dǎo)熱元件。熱量可以通過簡單的傳導(dǎo)轉(zhuǎn)移到散熱通孔，然后散熱通孔可以將熱量從關(guān)鍵電子元器件疏散開來。

??????散熱墊片一般是安裝在電路板底層的一塊金屬板。散熱孔將熱量從電路板本身的最熱點(diǎn)傳遞出去后，必須到其他位置以進(jìn)一步從電路板最熱點(diǎn)發(fā)散熱量。一般情況下，散熱孔將熱量傳遞到散熱墊片進(jìn)行大面積散熱。

??????下圖為在大電流下運(yùn)行的PCB板的紅外圖像：

高功率器件的布局

??? ???像微控制器這樣的高電流電子元件會產(chǎn)生大量的熱量。將這些元件安裝在電路板的中心位置附近是個(gè)好主意。

??????如果元件安裝在電路板邊緣附近，則其產(chǎn)生的熱量會累積，局部溫度會非常高。但是，如果元件安裝在電路板的中間部分，熱量會擴(kuò)散到整個(gè)電路板中，電路板的溫度將會降低。

??????多個(gè)高功率元件應(yīng)分散布局在整個(gè)電路板上，而不是集中在一個(gè)位置。如果器件的外形尺寸能夠允許的情況下，甚至可以將不同的元件分開布局到不同的PCB板。在元件布局的時(shí)候要權(quán)衡再三，因?yàn)樗环矫骊P(guān)系到整個(gè)電路板的功能實(shí)現(xiàn)，一方面考慮到散熱和機(jī)械匹配，另外還要考慮到可能會對您的制造預(yù)算產(chǎn)生的影響。

采用更厚的板

???? ??當(dāng)元器件在極端溫度下運(yùn)行時(shí)，其電氣連接，元件和電路板本身的壽命都會相應(yīng)縮短。計(jì)算機(jī)硬件行業(yè)已經(jīng)用冷卻風(fēng)扇減少了這個(gè)問題的風(fēng)險(xiǎn)。但是當(dāng)風(fēng)扇不起作用時(shí)，大部分熱量直接進(jìn)入電路板和周圍的元器件。這時(shí)如果電路板很薄，一切都會升溫到很高的溫度。

??????較厚的電路板在整體溫度被升高時(shí)將會需要更多的熱能。這樣較厚的電路板有助于保持電路板頂部的溫度較低。如果電路板直接安裝到外殼上，可以將熱量傳導(dǎo)到設(shè)備的外部。但是這種解決方案有可能會使得生產(chǎn)加工成本更高。所以在應(yīng)用的時(shí)候需要適當(dāng)權(quán)衡。

??????下面給大家看一下我們之前做的部分硬件中采用的不同板厚。

?????? 上圖為物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目中使用的Wifi模塊，采用0.6mm板厚。

??? ????上圖是用于FPGA硬件開發(fā)的JTAG-USB適配器，以及其他信號轉(zhuǎn)換模塊，非大電流高發(fā)熱電路。采用1.0mm板厚。板上子板作為類似器件的小模塊，開半孔，邊緣鍍金包邊，整塊板作為模塊焊接到母板上。子板和母板都是1.0mm板厚。

??????? 上圖是常規(guī)電源板1.6mm板厚。這個(gè)1.6mm是一般板廠的默認(rèn)厚度，如果沒有特殊說明，就默認(rèn)為此1.6mm。而且加工費(fèi)用1.6mm是臨界點(diǎn)。1.6mm以內(nèi)不另外加特殊板厚附加費(fèi)。

?????? 上圖為帶有Wifi模塊可智能遠(yuǎn)程控制開關(guān)的電源插座。母板電源板采用2.0mm板厚。2.0mm為加厚板制造工藝。該板厚即考慮到小空間大電流高發(fā)熱的情況。

???????要采用的最佳散熱策略取決于許多因素。并非所有設(shè)計(jì)或外形因素都可以適應(yīng)上述所有策略。例如，散熱墊片不適用于雙面印刷電路板。如果電路板上有大量元件，其中一些元件將不可避免地要被放置在電路板的邊緣附近。

?????? Altium Designer軟件工具提供相應(yīng)的熱管理方面的高級功能，可以讓您可視化PCB中潛在的發(fā)熱點(diǎn)。強(qiáng)大的PDN分析工具使設(shè)計(jì)人員能夠識別可能導(dǎo)致高電流設(shè)備故障的故障部位。

聲明：本文來源于Altium