PCB 布局中高電流走線的過孔拼接

2021-06-03

PCB 布局中高電流走線的過孔拼接

電路板設計中，同樣的一般謹慎規則也適用。高電流是設計的必要條件，但如果您在 PCB 布局中沒有給予適當的尊重，它也會導致一些令人不快的后果。

電源和接地必須在您的設計中進行管理，并正確分配到它們所連接的不同組件。用于管理 PCB 布局中的高電流的一種技術是縫合過孔，它可以幫助通過電路板傳輸電流的熱量和能量。以下是有關在下一個 PCB 設計中對高電流走線使用過孔拼接的更多信息。

電路板上的高電流問題

許多系統在運行中會消耗大量電力，并且這些系統中的電路板需要傳導高電流。但是，如果電路板沒有針對該級別的電流正確設計，則它可能會出現電氣或結構故障。例如，沒有使用足夠金屬來傳導電流通過其電源層和走線的電路板可能會變得太熱。這種熱量如果分布不正確，可能會影響并非為此設計的組件的正常運行。最終，熱量會形成多米諾骨牌場景，越來越多的部件受到影響，最終導致電路板出現故障。

高電流對電路板的潛在負面影響的另一個例子是電路板結構的物理故障。用于制造原始電路板的材料會承受大量熱量，但只能達到一定程度。FR-4 是用于 PCB 制造的標準材料，其玻璃化轉變溫度 (Tg) 等級為 130 攝氏度。超過該點，其固體形式將變得不穩定并可能開始熔化。然而，即使在達到該溫度之前，熱量最終可能會通過電路板上的任何細金屬跡線燃燒，從而形成開路，就像保險絲熔斷一樣。

為避免這些和其他高電流問題，必須注意如何在 PCB 布局中設計這些電路。

組件之間的短而直接的電源和模擬走線布線

高電流電路的電氣和熱考慮

高電流會在電路板中產生大量噪聲，尤其是與開關電源相關的電流。打開和關閉狀態之間的切換會產生 EMI，其強度會隨著切換上升時間的增加而增加。雖然這個問題可以被過濾掉，但也可以通過以下一些旨在降低噪聲的 PCB 布局技術來控制。

電源電路中的組件應放置得足夠近，以便進行短而直接的走線連接，同時不違反以下可制造性 (DFM) 設計規則：

電源組件應全部位于電路板的同一側，以消除對板內布線的需要。 

電源的大電流組件，如電感器和 IC，應盡可能彼此靠近以實現最短連接。 

像這樣放置在一起的組件，電源部件內的布線應該非常直接。您將希望走線盡可能寬，以保持低電感并降低 EMI 的可能性。 

這種策略可以讓您更好地控制電源電路中高電流的電氣和熱問題，但仍然存在將高電流路由到電路板其他點的問題。像這樣路由大電流時的熱問題將需要更多的金屬，這可能需要在不止一層上路由。這就是在高電流走線中使用縫合通孔可以提供幫助的地方。

用三個過孔縫合到另一層上的走線的電源走線

PCB布局中高電流走線的過孔拼接

在布線大電流走線時，最好使用盡可能多的金屬以減少熱量并降低電感。然而，很多時候，電路板的一層上沒有足夠的空間讓電源走線達到所需的寬度。解決方案是在電路板的多層上布線電源走線。通過將不同層上的走線與過孔縫合在一起，您將有效地將載流能力與單層上的載流能力相乘。在上圖中，您可以看到電路板內部層上的電源走線，其中有三個縫合通孔，可與相鄰層上的配套走線連接。這可以為電路板外部層上的其他布線或附加組件騰出空間。

需要注意的是，在高電流走線中仍然會產生大量熱量。通過將多條電源走線與內部層上的過孔縫合在一起，您將為更多金屬提供一種共享熱量的方式，但仍然需要散熱。這可以通過熱通孔來實現，這些通孔將熱量傳導到電路板外層的金屬平臺上進行冷卻。為大電流走線提供的冷卻越多，電路板的運行效果就越好，并且受到熱損壞的可能性就越小。

以下是您在規劃設計時需要牢記的其他一些高電流布局注意事項：

PCB 制造：如果您的電路板在高電流下運行時會非常熱，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，但從長遠來看，它們最終可能會避免與熱相關的問題，從而為您節省開支。您還應該與您的制造商合作，為您的高電流板開發最佳的層堆疊配置和電源平面策略。

電路板厚度：通過增加電路板的厚度，您可以增加銅的重量，從而獲得更厚的走線。這可能允許您減小走線寬度，從而留出更多布線和組件放置空間。與任何制造問題一樣，在將這些更改包含在設計中之前，應與您的制造商達成一致。

自動化組裝：正如我們所見，由于電氣和熱學原因，更高的電流需要更多的金屬。但與此同時，在操作過程中散發不希望有的熱量的相同金屬也可能給 PCB 組裝帶來問題。大面積的金屬會對較小的部件產生熱不平衡，從而影響其焊接。為避免這種情況，請確保在將部件直接連接到寬跡線或大面積金屬時使用散熱片。

元件放置：如果可以避免，則不應將承載高電流和發熱的部件放置在板的邊緣。通過將這些部件更靠近電路板的中心放置，電路板自然散熱的空間更大。

在所有這些設計技術中，您所擁有的最佳資產是您的 PCB 設計工具中的特性和功能，我們將在接下來進行介紹。

Allegro PCB Editor 中的約束管理器用于設置電源設計規則

在布置高電流走線時充分利用您的 PCB 設計工具

布線印刷電路板通常需要多種走線寬度和通孔，具體取決于布線的內容。信號走線需要細走線和小過孔，而電源和接地布線通常則相反。有時，不同的電力網將需要不同的寬度，具體取決于它們承載的電流水平。為了幫助布局設計師應對這些挑戰，PCB 設計工具通常具有約束管理系統來設置走線寬度和間距規則。

在上圖中，您可以在 Cadence 的 Allegro PCB 編輯器工具中看到約束管理器的圖片。有了它，您可以根據需要為任意數量的不同網絡輸入各種寬度，以及它們自己獨特的間隙和首選過孔。此外，約束管理器允許用戶設置可以分配特定網絡的網絡類。這使您能夠為一組相似的網絡創建規則集，這樣您就不必更改每個單獨的網絡。但是，這只是約束管理器為您提供的功能的開始。

使用約束管理器，您可以為高速設計拓撲和走線長度設置規則。您還可以為 PCB 裝配創建規則，以管理組件之間的間距或應如何將阻焊層應用于細間距零件。甚至還有一個用于設置電氣規則的部分，以便您根據信號的時序和延遲值進行設計。憑借約束管理器的多功能性，您將擁有在 PCB 設計中使用縫合通孔布線所需的能力。