設(shè)計任何 PCB 都具有挑戰(zhàn)性，尤其是當設(shè)備越來越小的時候。大電流 PCB 設(shè)計甚至更加復(fù)雜，因為它不僅面臨同樣的障礙，而且還需要考慮一系列獨特的因素。
專家預(yù)測，到 2030 年，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的年增長率將達到兩位數(shù)，對高功率設(shè)備的需求可能會上升。為了應(yīng)對這一趨勢，以下是優(yōu)化大電流電子產(chǎn)品 PCB 設(shè)計的七個步驟。
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)計考慮因素之一。銅走線趨向于微型化，以實現(xiàn)更緊湊的設(shè)計，但這在較高電流下行不通。較小的橫截面積會導(dǎo)致通過散熱造成功率損失，因此您需要適當較大的走線尺寸。
您可以通過調(diào)整兩個因素來改變走線的橫截面積：走線的寬度和銅的厚度。平衡這兩個因素是減少功率損耗和保持理想 PCB 尺寸的關(guān)鍵。
使用PCB 走線寬度計算器來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，請謹慎行事，并設(shè)計走線尺寸以支持比您認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)計中另一個重要的考慮因素。MOSFET 和類似元件會產(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隔開非常重要。在處理不斷縮小的外形尺寸時，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?shù)木嚯x。雖然將高功率區(qū)域放在邊緣可能很誘人，但這樣無法實現(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。對于大多數(shù)應(yīng)用來說，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)化元件布局會有所幫助，但您的散熱措施必須更進一步。
自然對流冷卻可能足以滿足小型消費設(shè)備 PCB 的要求，但對于高功率應(yīng)用則不然。機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)之類的主動冷卻也可以提供幫助。但是，某些設(shè)備設(shè)計可能不夠大，無法容納傳統(tǒng)的散熱器或主動冷卻。
對于尺寸較小但功率較高的 PCB，熱通孔是一種不錯的選擇。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，避免熱量到達更敏感的區(qū)域。
4. 使用適當?shù)牟牧?
在優(yōu)化熱管理和確保組件能夠承受更高電流時，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)計的最佳選擇。金屬芯 PCB 可能是理想的選擇，因為它們平衡了 FR4 等基板的絕緣性和成本效益以及高導(dǎo)電性金屬的強度和溫度位移?；蛘?，一些制造商生產(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，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)勢的缺陷，上述四種設(shè)計選擇將不會帶來太大的改進。對原型迭代進行更可靠的質(zhì)量檢查同樣重要。
使用正確的工具來評估 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，因為模板和覆蓋層會隨著時間的推移而拉伸和扭曲，從而影響其可靠性。您還應(yīng)考慮使用易于自動化的工具，以最大限度地降低人為錯誤的風(fēng)險。
無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。隨著時間的推移，這些數(shù)據(jù)可以揭示問題出現(xiàn)的趨勢，從而為更可靠的 PCB 設(shè)計變更提供信息。
6.可制造性設(shè)計
高電流 PCB 設(shè)計中一個類似且經(jīng)常被忽視的因素是確保易于制造。如果生產(chǎn)錯誤如此常見，以至于設(shè)備很少達到紙面上的規(guī)格，那么 PCB 理論上的可靠性就毫無意義了。
解決方案是盡可能避免過于復(fù)雜或錯綜復(fù)雜的設(shè)計。在設(shè)計大電流 PCB 時，請牢記制造流程，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。制造過程越簡單，越不出錯，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，請讓您的生產(chǎn)合作伙伴參與設(shè)計階段，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 打印帶來了更多的設(shè)計靈活性，可以實現(xiàn)更復(fù)雜的 PCB 布局，而不會出現(xiàn)生產(chǎn)錯誤的風(fēng)險。它的精度還可以讓你確保銅線沿著曲線而不是直角走，以減少其長度并最大限度地降低功率損耗。
人工智能是另一項值得研究的技術(shù)。人工智能 PCB 工具可以自動放置組件或突出顯示潛在的設(shè)計問題，以防止錯誤在現(xiàn)實世界中出現(xiàn)。類似的解決方案可以模擬不同的測試環(huán)境，以在生產(chǎn)物理原型之前評估 PCB 的性能。
制造階段的自動化也有類似的好處。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)作機器人，將其裝配速度提高了 25% ，并最大限度地減少了操作錯誤。
大電流 PCB 設(shè)計需要格外注意
設(shè)計可靠的大電流 PCB 并不容易，但并非不可能。遵循這七個步驟將幫助您優(yōu)化設(shè)計流程，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。現(xiàn)在接受它們將是未來持續(xù)成功的關(guān)鍵。
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