大電流PCB設計入門

以高電流或高電壓運行的系統面臨著一系列獨特的挑戰，這些挑戰在較小的數字系統中是看不到的。操作員可能會暴露在不安全的環境中，并且設計可能會因熱量或靜電放電而失敗。然而，正確的PCB設計決策有助于降低與電力電子設備交互所涉及的風險。在本指南中，我們將介紹在高電流PCB設計中要考慮的一些基本設計要點。在某些情況下，大電流電路板設計中涉及的布局和安全考慮與高電壓設計中的相似，尤其是當我們考慮安全性時。
大電流電路板布局的基礎知識
有一些高電流PCB設計的好例子，它們不一定在高電壓下運行。此外，“高電壓”與“高電流”的概念有點武斷。區分這些類型設計的較佳指標可能是安全性。如果直流電流存在觸電或過熱的風險，那么您可能需要應用其中的一些設計原則來確保安全性和可靠性。
元件選擇
大電流設計和電源系統通常從組件中獲得大部分可靠性。盡管聽起來很明顯，但請確保在選擇期間考慮組件的安全裕度。一般來說，建議先看兩個規格：
額定電流，特別是MOSFET和電感元件
熱阻值（如果有）
您可以使用估計或設計的工作電流來確定功耗，或使用上面的第一個規格來獲得較壞情況下的值。這兩者都有助于熱管理，這需要使用熱阻值來估計溫度。對于某些組件，您可以確定是否需要散熱器以確保可靠性。
其他對大電流電路板很重要的組件（例如連接器）可能具有非常高的額定值，并且在電源系統中非常有用。下面顯示了可以處理非常高電流的機械螺釘端子連接器的兩個示例。

選擇合適的銅重量
走線中使用的銅的電阻會產生一些直流功率損耗，這些損耗會以熱量的形式散失。對于非常大的電流設計，這變得非常重要，特別是當組件密度很高時。防止大電流PCB中直流損耗的方法是使用橫截面積更大的銅。這意味著，要么需要更重的銅，要么需要更寬的走線以保持足夠低的焦耳熱和功率損耗。使用PCB走線寬度與電流表來確定防止過度溫升所需的銅重量和/或走線寬度。
變得更大：使用平面而不是軌跡
如果您必須將非常高的電流輸入電源系統，而走線太寬而無法滿足您的需求，請使用電源層而不是走線。舉個例子，在我們過去所做的Eurocard格式背板中，我們使用多個電源層從兩個專用低壓（24 V）電源提供100 A的電流。當您需要支持極端電流時，您可以在其他系統中使用相同的策略。
覆銅散熱孔
在空氣停滯的電路板外殼內，如果您僅依靠傳導或自然對流，則很難將熱量從設備中轉移出去。熱通孔可以放置在表面層有銅的電路板上，通過提供到平面層 (GND) 的直接連接來提供額外的熱傳遞，從而遠離某些組件。這可用于靠近熱元件或走線的電路，以提供遠離表面層的額外熱傳導，但不應在需要隔離的情況下使用，例如在電源變壓器的初級和次級匝之間。
雖然散熱孔有利于針對特定組件，但更好的策略是考慮如何使用大散熱器或直接傳導路徑到外殼來提供高散熱。下面顯示了一組并聯MOSFET的示例。

注意地面
大電流系統可能需要使用相同類型的安全故障措施。通過適當的接地策略可以實現一定程度的安全和EMI。通常，您不應分割接地，但涉及高電流和/或高電壓的電力系統是一個例外。接地需要在輸入交流、非穩壓直流和穩壓直流部分之間分開。
一個很好的起點是交流系統或隔離電源中的接地策略。通常，對于大電流電源系統，您將采用3線直流布置（PWR、COM、GND），其中GND連接實際上是接地連接。您的電路板可能使用隔離策略，其中輸出側與GND斷開連接，而輸入側接地以確保發生故障時的安全。
使用更厚的電路板
乍一看，這似乎違反直覺。您會認為更薄的電路板可以提供更好的遠離組件的傳導，那么為什么要使用更厚的電路板。事實上，當使用非標準板厚時，面內熱阻會更低，板的熱質量會更高。較厚的電路板（2或3毫米）還可以為大電流電路板中較大的元件提供更大的機械支撐，尤其是安裝在板上的電感元件和大型散熱器。
ESD和安全
直流的這一部分存在其自身的一系列問題，特別是在電力系統中，尤其是在同時在高電壓和高電流下運行的設計中。要了解有關在高壓下運行的電源系統中的ESD保護的更多信息，請閱讀有關常見ESD電路設計的指南。
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