PCB 布局中通過過孔縫合進(jìn)行大電流布線

相同的一般警告規(guī)則適用于電路板設(shè)計(jì)。 大電流是設(shè)計(jì)的必要條件，但如果不適當(dāng)注意PCB布局，也可能會(huì)導(dǎo)致一些不愉快的后果。

電源和接地必須在設(shè)計(jì)中進(jìn)行管理，并正確分配給它們所連接的不同組件。 用于管理 PCB 布局中高電流的一項(xiàng)技術(shù)是縫合過孔，這有助于通過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(shè)計(jì)中使用通孔縫合處理高電流布線的更多信息。

電路板大電流問題

許多系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)會(huì)消耗大量電力，并且這些系統(tǒng)中的電路板需要傳導(dǎo)大電流。 然而，如果電路板沒有針對(duì)該電流水平正確設(shè)計(jì)，則可能會(huì)出現(xiàn)電氣或結(jié)構(gòu)故障。 例如，電路板沒有使用足夠的金屬來通過其電源層傳導(dǎo)電流，并且布線可能會(huì)過熱。 如果散熱不正確，將會(huì)影響非專門設(shè)計(jì)的部件的正常工作。 最后，熱量會(huì)產(chǎn)生多米諾骨牌效應(yīng)，越來越多的部件受到影響，最終導(dǎo)致電路板故障。

可能對(duì)電路板產(chǎn)生不利影響的高電流的另一個(gè)示例是電路板結(jié)構(gòu)的物理故障。 原始電路板制造中使用的材料可以承受大量的熱量，但只能承受一定程度的熱量。 FR-4是PCB制造的標(biāo)準(zhǔn)材料，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）等級(jí)為130℃。 超過這一點(diǎn)，其固體形式將變得不穩(wěn)定并可能開始融化。 然而，即使在達(dá)到此溫度之前，熱量最終也可能燒毀板上的任何薄金屬跡線，導(dǎo)致開路，例如保險(xiǎn)絲熔斷。為了避免這些和其他高電流問題，有必要在 PCB 布局中仔細(xì)設(shè)計(jì)這些電路。組件之間的短而直接的電源和模擬布線。

高電流電路的電氣和熱注意事項(xiàng)

大電流會(huì)在電路板上產(chǎn)生大量噪聲，尤其是與開關(guān)電源相關(guān)的電流。 導(dǎo)通和關(guān)斷狀態(tài)之間的切換會(huì)產(chǎn)生EMI，并且EMI的強(qiáng)度會(huì)隨著開關(guān)上升時(shí)間的增加而增加。 雖然這個(gè)問題可以解決，但以下旨在降低噪聲的 PCB 布局技術(shù)也可以用來控制這個(gè)問題。

電源電路中的組件應(yīng)放置得足夠近，以便進(jìn)行短距離直接接線連接，而不違反以下可制造性設(shè)計(jì) (DFM) 規(guī)則：

• 電源組件應(yīng)全部位于板的同一側(cè)，以消除板內(nèi)布線的需要。
  

• 電源的大電流元件（如電感、IC）應(yīng)盡可能靠近，以實(shí)現(xiàn)最短的連接。
  

像這樣將組件放在一起，電源單元中的接線應(yīng)該非常直接。您需要布線盡可能寬，以保持低電感并降低 EMI 的可能性。這種策略將使您能夠更好地控制電源電路中大電流的電氣和熱問題，但仍然存在將大電流路由到電路板上其他點(diǎn)的問題。 如此高電流布線中的熱問題將需要更多的金屬，這可能需要不止一層的布線。 在這里，在高電流布線中使用縫合過孔很有幫助。電源線用三個(gè)通孔縫合到另一層。

PCB布局中可通過過孔縫合形成大電流布線

在布線高電流電線時(shí)，最好使用盡可能多的金屬來減少熱量和電感。 然而，很多情況下，電路板上沒有足夠的空間使電源線達(dá)到所需的寬度。 解決方案是在電路板上采用多層布線。 通過將不同層上的布線和過孔縫合在一起，您將有效地將載流能力乘以單層上的載流能力。 上圖中，可以看到電路板內(nèi)層的電源接線。 共有3個(gè)縫合過孔，可與相鄰層的配套布線連接。 這為電路板外層的其他布線或其他組件釋放了空間。

需要注意的是，大電流布線中會(huì)產(chǎn)生大量熱量。 通過將內(nèi)層的多條電源線和過孔縫合在一起，您將為更多的金屬提供一種共享熱量的方式，但仍然需要進(jìn)行散熱。 這可以通過散熱孔來完成，該散熱孔將熱量傳遞到電路板外層的金屬焊盤以進(jìn)行冷卻。 為大電流布線提供的散熱越多，電路板的性能就越好，遭受熱損壞的可能性就越小。

在規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)，我們還應(yīng)該牢記目前需要考慮的其他一些布局問題：

PCB制造：如果您的電路板要在大電流下工作得非常熱，最好探索其他可以承受更高工作溫度的材料。 盡管這些材料可能更昂貴，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，它們可以通過避免與熱量相關(guān)的問題來節(jié)省您的錢。 您還應(yīng)該與制造商合作，為高電流板開發(fā)最佳的層堆疊配置和電源平面策略。

板厚：通過增加板厚，可以增加銅的重量，從而使布線更粗。 這使您可以減少布線寬度，為布線和元件放置留出更多空間。 與任何制造問題一樣，這些更改在納入設(shè)計(jì)之前應(yīng)與制造商達(dá)成一致。

自動(dòng)組裝：正如我們所看到的，由于電流和電氣原因，更高的電流需要更多的金屬。 然而，與此同時(shí)，在操作過程中會(huì)散發(fā)出不必要熱量的相同金屬也可能會(huì)給 PCB 組裝帶來問題。 大面積的金屬會(huì)導(dǎo)致較小零件的熱不平衡，從而影響其焊接。 為了避免這種情況，在將部件直接連接到寬電線或大面積金屬時(shí)，請(qǐng)務(wù)必使用散熱器。

元件放置：如果可以避免，大電流、高溫的元件應(yīng)放置在電路板的邊緣。 通過將更多的這些部件放置在電路板的中心，可以為電路板的自然散熱提供更多的空間。

布線高電流電纜時(shí)充分利用 PCB 設(shè)計(jì)工具

布線PCB通常需要多個(gè)布線寬度和過孔，具體取決于要布線的內(nèi)容。 信號(hào)布線需要更細(xì)的布線和更小的通孔，而電源和地布線通常相反。 有時(shí)，不同的電網(wǎng)需要不同的寬度，具體取決于它們承載的電流水平。 為了幫助布局設(shè)計(jì)人員應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，PCB設(shè)計(jì)工具通常有一個(gè)約束管理系統(tǒng)來設(shè)置線寬和間距規(guī)則。

使用約束管理器，您可以設(shè)置高速設(shè)計(jì)拓?fù)浜妥呔€長(zhǎng)度的規(guī)則。 您還可以為 PCB 組裝創(chuàng)建規(guī)則，以控制元件之間的間距或如何將阻焊劑應(yīng)用于細(xì)間距元件。