如何在大電流PCB設(shè)計中實現(xiàn)卓越

設(shè)計任何PCB都具有挑戰(zhàn)性，尤其是隨著設(shè)備變得越來越小。高電流PCB設(shè)計甚至更加復(fù)雜，因為它具有所有相同的障礙，還需要額外考慮一系列獨特的因素。

專家預(yù)測，對高功率設(shè)備的需求可能會上升工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)兩位數(shù)的年增長率到2030年。以下是針對這一趨勢優(yōu)化大電流電子產(chǎn)品中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。銅走線已經(jīng)趨向于小型化，以實現(xiàn)更緊湊的設(shè)計，但這在更高的電流下不起作用。較小的橫截面會通過散熱導(dǎo)致功率損耗，因此需要適當(dāng)大的走線尺寸。

您可以通過調(diào)整兩個因素來改變走線橫截面積:走線的寬度和銅的厚度。平衡這兩者是降低功耗和保持理想PCB尺寸的關(guān)鍵。

使用PCB走線寬度計算器了解哪些寬度和厚度支持您的設(shè)備所需的電流類型。使用這些工具時，請謹慎設(shè)計走線尺寸，以支持比您認為需要的更高的電流。

2.重新考慮元件放置

元件布局是高電流PCB設(shè)計的另一個關(guān)鍵考慮因素。MOSFETs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很重要。當(dāng)處理縮小的外形尺寸時，這并不總是容易的。

放大器和轉(zhuǎn)換器應(yīng)該與MOSFETs和其他發(fā)熱元件保持適當(dāng)?shù)木嚯x。雖然在邊緣保持高功率區(qū)域可能很誘人，但這并不允許均勻的溫度分布。取而代之的是，將它們直線放置在整個板上以保持能量，從而使熱量更加均勻。

通過首先接近最有影響力的區(qū)域，更容易確定理想的組件。首先，確定高溫組件的理想放置位置。一旦你知道把它們放在哪里，你就可以用剩下的來填補空白。

3.優(yōu)化散熱管理

同樣，高電流PCB也需要謹慎對待熱管理。對于大多數(shù)應(yīng)用來說，這意味著保持內(nèi)部溫度低于130攝氏度FR4層壓板的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。優(yōu)化組件放置將有所幫助，但您的熱量最小化步驟必須不止于此。

自然對流冷卻對于較小的消費電子設(shè)備PCB可能就足夠了，但對于功率較高的應(yīng)用可能就不夠了。機械散熱器可能是必要的。MOSFETs周圍的風(fēng)扇或液體冷卻系統(tǒng)等主動冷卻也有所幫助。然而，一些設(shè)備設(shè)計可能不夠大，無法容納傳統(tǒng)散熱器或主動冷卻。

對于較小但高性能的PCB而言，散熱通孔是一種有用的替代方案。澆注的帶有一系列孔的高導(dǎo)電性金屬將在熱量到達更敏感的區(qū)域之前從MOSFETs或類似組件帶走熱量。

4.使用合適的材料

當(dāng)優(yōu)化熱管理并確保組件能夠承受更高的電流時，材料選擇將大有裨益。這適用于PCB的組件和基板。

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，因為它們可以平衡FR4等基板的絕緣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)特殊耐熱層壓板，您可以考慮。

同樣，您應(yīng)該只使用具有高熱阻值的組件。有時，這意味著選擇更耐熱的材料，而在其他情況下，這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

高電流PCB的可靠性也是一個在生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)錯誤的問題。如果制造過程不能發(fā)現(xiàn)并解決抵消其優(yōu)勢的缺陷，那么上述四種設(shè)計選擇不會產(chǎn)生太大的改進。原型迭代更可靠的質(zhì)量檢查同樣重要。

使用正確的工具來評估PCB的質(zhì)量是該領(lǐng)域最重要的考慮因素之一。數(shù)字光學(xué)比較儀作為模板和覆蓋物優(yōu)于傳統(tǒng)方法隨著時間的推移伸展和扭曲，阻礙了它們的可靠性。您還應(yīng)該考慮易于自動化的工具，以最小化人為錯誤的風(fēng)險。

不管您使用的具體方法和技術(shù)如何，跟蹤所有缺陷都是至關(guān)重要的。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，從而提供更可靠的PCB設(shè)計更改。

6.可制造性設(shè)計

在高電流PCB設(shè)計中，一個類似但經(jīng)常被忽視的因素是確保易于制造。如果生產(chǎn)錯誤如此普遍，以至于設(shè)備很少符合紙上的規(guī)格，那么理論上PCB有多可靠也沒用。

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)計高電流PCB時，請牢記您的制造工藝，考慮這些工作流程可能會如何生產(chǎn)它們以及可能會出現(xiàn)什么問題。你越容易制造出沒有錯誤的產(chǎn)品，它們就越可靠。

這一步需要與生產(chǎn)方利益攸關(guān)方密切合作。如果您不在內(nèi)部處理制造，請讓您的生產(chǎn)合作伙伴參與設(shè)計階段，獲取他們對潛在可制造性問題的意見。

7.將技術(shù)用于你的優(yōu)勢

新的規(guī)劃和生產(chǎn)技術(shù)可以使平衡這些考慮更加容易。3D打印引入更多設(shè)計靈活性支持更復(fù)雜的PCB布局，而不會出現(xiàn)生產(chǎn)錯誤。它的精度還可以讓您確保銅走線遵循曲線而不是直角，以減少其長度并最大限度地降低功耗。

人工智能是另一項值得研究的技術(shù)。AI PCB工具可以自動放置元件或突出潛在的設(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)廠裝配速度提高了25%并通過在芯片制造中引入?yún)f(xié)作機器人來最大限度地減少操作失誤。

高電流PCB設(shè)計需要謹慎

設(shè)計可靠的大電流PCB并不容易，但也并非不可能。遵循這七個步驟將幫助您優(yōu)化設(shè)計流程，以創(chuàng)建更有效的高功率器件。

隨著工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，這些考慮因素將變得更加重要?，F(xiàn)在擁抱它們將是未來持續(xù)成功的關(guān)鍵。