高均流电路板设计简介

高均流电路板设计简介

在高电流或高电压下运行的系统面临着一系列在较小的数字系统中看不到的独特挑战。 操作员可能会暴露在不安全的环境中，并且设计可能会因热量或静电放电而失败。 然而，正确的 PCB 设计决策有助于降低与电力电子设备交互所涉及的风险。 在本指南中，我们将介绍大电流电路板设计中需要考虑的一些基本设计要点。 在某些情况下，大电流电路板设计中涉及的布局和安全考虑因素与高电压设计中涉及的布局和安全考虑因素类似，特别是当我们考虑安全时。

大电流电路板布局基础知识

有一些高电流 PCB 设计的好例子，但不一定在高电压下工作。 另外，“高电压”和“高电流”的概念有些随意。 区分这些类型设计的更好指标可能是安全性。 如果直流电流存在触电或过热的风险，您可能需要应用其中一些设计原则以确保安全性和可靠性。

元件选择

高电流设计和电源系统的大部分可靠性通常来自于组件。 虽然听起来很明显，但在选择时一定要考虑组件的安全裕度。 一般来说，建议看两个规格：

额定电流，特别是MOSFET和电感元件

热阻值（如有）

您可以使用估计或设计的工作电流来确定功耗，或使用上面的第一个规格来获得最坏情况的值。 两者都有助于热管理，这需要使用热阻值来估计温度。 对于某些组件，您可以确定是否需要散热器以确保可靠性。

对于大电流电路板很重要的其他组件（例如连接器）可能具有非常高的额定值，并且在电力系统中很有用。

选择正确的铜重量

布线中使用的铜的电阻会产生一些直流功率损耗，这些功率损耗会以热量的形式损失掉。 这对于非常高电流的设计变得非常重要，特别是当元件密度很高时。 在大电流PCB中防止DC损耗的方法是使用截面积较大的铜。 这意味着要么需要更重的铜，要么需要更宽的布线，以保持足够低的焦耳热和功率损耗。 使用 PCB 布线宽度和电流表来确定防止温升过高所需的铜重量和/或布线宽度。

变得更大：使用飞机而不是轨道

如果您必须向电源系统输入非常大的电流，并且布线太宽而无法满足您的需求，请使用电源层而不是布线。 例如，在我们过去制作的 Eurocard 格式背板中，我们使用多个电源层从两个专用低压（24 V）电源提供 100 A 的电流。 当您需要支持极端电流时，可以在其他系统中使用相同的策略。

铜包散热孔

在空气停滞的电路板外壳中，如果仅依靠传导或自然对流，很难从设备中传递热量。 散热通孔可以放置在具有铜表面层的电路板上，通过提供与平面层（GND）的直接连接来提供额外的热传递，从而远离一些元件。 这可用于靠近热元件或布线的电路，以提供远离表面层的额外热传导，但不应在需要隔离时使用，例如在电源变压器的初级和次级匝之间。

尽管冷却孔对于特定组件很有用，但更好的策略是考虑如何使用大型散热器或直接传导到外壳的路径以提供高散热。

注意地面

高电流系统可能需要使用相同类型的安全故障措施。 通过适当的接地策略可以实现一定程度的安全性和 EMI。 一般情况下，不应分割接地，但涉及大电流和/或高电压的电力系统除外。 输入交流、非稳压直流和稳压直流部分之间的接地应分开。

一个好的起点是交流系统或隔离电源中的接地策略。 通常，对于大电流电源系统，您将使用 3 线 DC 布局（PWR、COM、GND），其中 GND 连接实际上是接地连接。 您的电路板可能会使用隔离策略，其中输出侧与 GND 断开，输入侧接地，以确保发生故障时的安全。

使用较厚的电路板

乍一看，这似乎违反直觉。 您会认为更薄的电路板可以提供更好的远离元件的传导，那么为什么要使用更厚的电路板呢？ 事实上，当使用非标准板厚时，面内热阻会更低，板的热质量会更高。 较厚的电路板（2或3毫米）还可以为大电流电路板中较大的元件提供更大的机械支撑，特别是安装在板上的电感元件和大型散热器。

静电放电和安全

这部分直流电有其自身的一系列问题，特别是在电力系统中，特别是在高电压和大电流同时工作的设计中。 PCB设计和PCB加工厂家介绍大电流电路板设计中涉及的布局和安全注意事项。