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大功率應用的PCB設(shè)計的要求及要點

NCABGroup ? 來源:NCABGroup ? 作者:NCABGroup ? 2022-08-22 10:46 ? 次閱讀

隨著技術(shù)的發(fā)展,電子設(shè)備愈發(fā)復雜,PCB作為其中的關(guān)鍵部件,設(shè)計也越來越復雜、精確和縝密,才能確保終端產(chǎn)品的正常運轉(zhuǎn)。我們此文所提及的大功率電路,需要被作為一個系統(tǒng),而不僅僅是一個單一組件,來進行考量。在進行設(shè)計時,必須考慮其相關(guān)的所有組件,包括電路板、電子設(shè)備、散熱管理和電源等。

電動汽車充電設(shè)備 - 大功率PCB設(shè)計的一個應用實例

需要進行大功率電路設(shè)計的一些應用和終端產(chǎn)品包括:

工業(yè)電源

伺服電機

電動汽車充電樁

以下是大功率電路設(shè)計的一些示例:

用于EV電池的充電系統(tǒng)

300瓦功率的電視

航天器熱管理系統(tǒng)

超過3000流明的投影

需要5KW功率的熱電冷卻器

大功率電路設(shè)計的考慮因素

大功率電路比小功率電路承載高一個數(shù)量級的電壓或電流。在進行電路設(shè)計時,設(shè)計人員需要確保電路能夠在要求的電壓和電流下運行,并具備足夠的冷卻和安全系統(tǒng)設(shè)置。以下是進行大功率電路設(shè)計時需要考慮的幾個方面:

散熱管理

大功率電子設(shè)備產(chǎn)生的熱量幾倍于小功率設(shè)備,因此在進行設(shè)計時,散熱管理非常重要。正確進行熱量管理,電路板才不會因熱量積聚而出現(xiàn)過熱和失效。散熱管理可以使用被動和主動冷卻結(jié)合的方法來實現(xiàn)。被動冷卻包括使用低導熱性材料,例如絕緣塑料或陶瓷,主動冷卻指使用電扇或冷卻液系統(tǒng)來進行散熱。

材料

PCB中常用的材料是FR4,在大功率應用中,由于熱應力增加,材料性能的重要性被凸顯。與大功率應用相關(guān)性最高的材料屬性是高Tg和高Td,以及穩(wěn)定的熱膨脹系數(shù)CTE。在某些情況下也要求具有高相比漏電起痕指數(shù)(CTI-Comparative tracking index,指基材表面經(jīng)受住50滴0.1%氯化銨水溶液而沒有形成漏電痕跡的最高電壓值)。

阻焊層

阻焊層是PCB表面的保護層,保護銅免受腐蝕和污染。阻焊工藝可分為兩類:濕膜和干膜。濕膜通過紫外線固化,將感光油墨附著到板面,而干膜則是通過紫外線照射后聚合反應,形成一種穩(wěn)定物質(zhì)附著于板面。大功率電路設(shè)計需要特別考慮阻焊工藝,因為其更容易受到腐蝕和污染。

設(shè)計

大多數(shù)大功率PCB設(shè)計通常使用某種類型的設(shè)計,分為兩類:布局設(shè)計或參考設(shè)計。布局是指規(guī)劃元器件在PCB上的位置,而參考設(shè)計通常是考慮具體布局的情況下進行的。PCB的布局需要滿足,既能承載大功率元件,又能減少噪聲產(chǎn)生。所以在進行大功率PCB設(shè)計時需要遵循如下規(guī)則:

盡量減小接地回路

元器件選型考慮最大額定電壓

降低電路噪音,盡量減少走線上的電感,過孔上的電容

考慮散熱

考慮減少靜電放電(ESD)的損害,增加靜電防護電路

非關(guān)鍵信號必須包地保護

元件布局

大功率電路考慮降低PCB熱阻的設(shè)計思路, PCB上有大功率元件時,可以通過以下兩種方式實現(xiàn):

第一種方式,是將各部件貼近放置,降低熱阻,小面積的銅面散熱即可

第二種方式,是將各部件分散放置,鋪大面積的銅面散熱(銅皮上增加開窗,上錫)

導體的寬度和厚度

銅皮厚度是由它們所需承載的功率決定的。功率越大,銅皮就越厚。銅皮的寬度由功能決定,內(nèi)層走線比外層窄,因為它們不受外部干擾,接地銅皮寬度最寬,因為它需要實現(xiàn)接地的功能,同時兼散熱。

我們有什么設(shè)計建議?

功率越大,產(chǎn)生的熱量就越多,電路板需要處理的積聚的熱量也就越多,這也就意味著你需要使用更大的銅面積、更多的通孔,和更厚的絕緣層,以防電路板過熱。埋銅技術(shù)會被應用到電路板的散熱需求中。你可以在這里了解關(guān)于這項技術(shù)的信息。

如何在設(shè)計參數(shù)內(nèi)確保安全性和可靠性?

以下是設(shè)計大功率PCB時應該考慮的一些注意事項:

設(shè)計工程師應該了解大功率對PCB設(shè)計的要求,同時了解PCB供應商的工藝能力

設(shè)計時應考慮功率器件的熱量對布局的整體散熱方案的影響

設(shè)計時應考慮電磁干擾(EMI)對附近其他設(shè)備的影響

設(shè)計應考慮到過載產(chǎn)生的潛在危險,比如火災、煙霧或爆炸

審核編輯:湯梓紅

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