大功率電路的布局注意事項

隨著消費類器件尺寸的不斷縮小，功耗考慮和適當?shù)臒嵩O(shè)計對電路設(shè)計人員和電路板布局工程師來說變得越來越重要。本教程可幫助設(shè)計人員確保電路板既電氣健全又熱平衡，以實現(xiàn)正常運行和最佳效率。

快速熱教程

通常，半導(dǎo)體器件的熱方程可以按照電方程進行建模，這樣眾所周知和喜愛的歐姆定律（V = I × R）變?yōu)棣 = P × θ，其中ΔT是以°C為單位的熱差，P是以瓦特為單位的功率，θ是熱阻（°C/W）。對于半導(dǎo)體器件，ΔT是器件結(jié)點（例如，芯片中最熱點）和另一點（例如外殼、環(huán)境空氣或電路板）的溫差，熱阻抗θ是從一點到另一點的熱阻。熱阻通常從IC的結(jié)點到另一點（環(huán)境空氣、封裝、外殼或電路板）進行測量，并被描述為結(jié)點到環(huán)境電阻θ賈， 結(jié)殼電阻， θ杰克，或結(jié)對板電阻，θ新山，在數(shù)據(jù)手冊中（圖1）。

圖1.半導(dǎo)體IC熱阻抗的建模方式與電路大致相同，如歐姆定律所述。

需要良好的散熱設(shè)計才能使設(shè)備在安全溫度限制內(nèi)運行。結(jié)溫，TJ，對于 IC 可以計算為 TJ= T一個+ （P × θ賈），并且不應(yīng)超過制造商數(shù)據(jù)手冊中列出的限值（通常范圍為+125°C至+175°C）。熱阻值也應(yīng)從原始制造商處獲得，因為它們高度依賴于封裝和器件。

需要注意的是，雖然熱方程可以建模為電方程，但使用電力時的預(yù)期精度不適用于熱操作。通常，實際熱特性可能與計算值相差多達 30%。

主板的功耗注意事項

電路板布局應(yīng)從設(shè)計之初就考慮。高功率電路板最重要的規(guī)則是了解您的電源路徑.流過電路的功率的位置和量是決定IC位置以及印刷電路板（PCB）上所需的散熱類型和量的主要因素。

許多因素會影響給定設(shè)計的布局量。這些因素包括：

流過電路的功率量

器件和電路板周圍的環(huán)境溫度

設(shè)備和電路板周圍的氣流量

板材材質(zhì)

電路板上的 IC 密度

元件放置

模擬電路和混合信號電路板通常包括大功率模擬模塊和敏感的數(shù)字或低功耗模擬模塊。通過設(shè)計和放置電源塊開始布局。保持單個電源塊中的連接短而寬，并確保避免不必要的接地回路和噪聲產(chǎn)生。本文已經(jīng)編寫了多篇關(guān)于大功率電路布局技術(shù)和推薦的教程和應(yīng)用筆記。1,2,3一般來說，請記住：

識別并減少電流環(huán)路，尤其是高電流路徑。

限制元件之間的阻性壓降和其他寄生效應(yīng)。

將大功率電路放置在遠離敏感電路的位置。

使用良好的接地技術(shù)。

此外，避免在PCB上將多個電源組件收集在一起。將這些發(fā)熱元件均勻地放置在電路板上，可以最大限度地提高電路板的熱平衡，并保護PCB免于翹曲。有效減少電路板上的熱量還可以在工作期間保護其他敏感電路和信號。

集成電路和元件安裝

當功率流過電路時，無源和有源元件都會產(chǎn)生熱量。無源元件和IC中產(chǎn)生的熱量必須散發(fā)到器件周圍較冷的環(huán)境空氣中。該熱量通常通過封裝或器件的引線框架散發(fā)。

在過去幾年中，IC封裝制造商已經(jīng)構(gòu)建了越來越熱友好的封裝。然而，即使有了這些封裝的進步，隨著IC尺寸的不斷縮小，散熱也變得越來越困難。

許多IC封裝和電路板設(shè)計沒有為外部散熱器留出太多空間，需要另一種方法來提取熱量 - 進入裸露焊盤（EP）。帶有 EP 的封裝內(nèi)的芯片直接連接到 EP，以實現(xiàn)最佳熱性能。將這些IC正確安裝在PCB上可優(yōu)化從封裝到電路板的熱傳遞。關(guān)于單個IC的熱考慮因素和安裝技術(shù)的討論已被許多可靠的來源充分記錄，超出了本文的范圍。有關(guān)單個封裝安裝技術(shù)的更多信息，請參見應(yīng)用筆記862：“QFN和其他裸露焊盤封裝的散熱考慮因素”。

散熱器

電源路徑中的組件會產(chǎn)生大量熱量。這些組件需要快速有效地將熱量散發(fā)到周圍環(huán)境中。一種常用的散熱方法是在電路板上添加一個外部散熱器。散熱器的目的是從設(shè)備中去除熱量并將其分配到環(huán)境空氣中。外部散熱器通常由鋁或銅等高導(dǎo)熱材料制成，可提供更大的散熱面積，如果可能，應(yīng)放置在氣流路徑中，以獲得最大的散熱。當使用外部散熱器時，IC定位變得越來越重要，并且必須設(shè)計電路板，以便可以將散熱器固定在適當?shù)奈恢?。為了?yōu)化從IC到散熱器的傳熱，您還可以使用熱環(huán)氧樹脂來緩解器件之間的傳熱。

散熱器通常需要電路板上的大量空間，可能不適合小型或緊湊型應(yīng)用。當空間非常寶貴時，設(shè)計PCB以優(yōu)化通過電路板本身的傳熱。

電路板布局

應(yīng)特別注意在IC和組件之間正確布線大功率路徑。如果使用不當，銅走線中的電阻會導(dǎo)致電路板上的大量功率損耗和發(fā)熱。保持功率元件之間的走線又短又寬，并對高電流路徑使用較粗的銅走線。對于 1oz 銅，當溫度升高 10°C 時，建議的每安培最小走線寬度范圍為 10mil 至 30mil，基于 IPC-2221 PCB 設(shè)計標準中的設(shè)計圖表。4（有關(guān)詳細信息，請參閱本教程中的“跟蹤厚度”部分。使用對于給定電流來說太小的走線可能會導(dǎo)致整體性能下降，甚至在極端情況下熔斷。就電源走線而言，越大越好。

電路板設(shè)計人員還可以在電路板中使用大銅平面和過孔來去除器件的熱量。大平面增加了PCB上用于器件散熱的可用面積。理想情況下，這些平面連接在電路板的頂層或底層，以最大限度地傳輸?shù)街車h(huán)境，但是即使是內(nèi)部平面也可用于消耗PCB上器件的一些功耗。

過孔用于將功率從電路板上的一層傳輸?shù)搅硪粚?。它們將熱量從封裝板連接引導(dǎo)到另一個平面或?qū)?。多個過孔降低了從IC到耗散層的熱阻。

一個快速的例子

Maxim電池仿真電路5是用于布局目的的高功率電路的一個相對簡單和直接的示例。該電路不包含任何開關(guān)器件或靈敏控制電路，無需多個接地層或保護措施。

仿真器電路的主電源路徑從 BATT+ 節(jié)點開始，流經(jīng) 100mΩ 串聯(lián)輸入電阻和 TIP35 晶體管，返回 BATT- 節(jié)點（圖 2）。

圖2.Maxim的電池模擬器電路。

假設(shè)充電電流為3A，輸入檢測電阻必須能夠處理至少900mW的功率。為了盡量減少工作期間電阻的變化，應(yīng)使用能夠處理超過1W的檢測電阻，以確保恒定的輸入串聯(lián)電阻。單個 5W 電阻或多個 1W 并聯(lián)電阻器工作良好（圖 3）。

電路中的TIP35晶體管必須處理電路中的大部分功率。在最壞情況下，TIP35晶體管兩端的功率可以計算如下：

P提示35= （V蝙蝠+- 五巴特-） × I巴特
P提示35= 4.2V × 3A = 12.6W

應(yīng)使用能夠處理 15W 或更高的散熱器，以包含合理的安全裕度。在測試該電路時，我們使用0.1厘米×10厘米×18.5厘米的銅片來散熱器TIP35。

多個400mΩ 1W電阻并聯(lián)用于100mΩ輸入檢測電阻。雖然在圖中不容易看出，但已使用多個過孔將頂層的 BATT 焊盤連接到底層，從而增加了 BATT 平面的面積。導(dǎo)熱膏已被用于增強從晶體管到散熱器的熱傳遞。

跡線厚度

大功率電路板設(shè)計的一個重要方面是組件之間連接的厚度.像電線一樣， PCB銅走線具有電阻， 走線厚度可能是影響大功率電路板性能的一個非常重要的因素.當今的許多高功率電子電路都需要銅厚度額定值為 2oz 或更高的 PCB，然后電路板才能提供全部輸出功率并消散向負載供電時產(chǎn)生的多余熱量.設(shè)計人員通常希望PCB制造廠以正確的銅厚度構(gòu)建PCB.然而， 如果PCB制造過程沒有得到很好的控制， PCB最終的銅厚度可能會低于規(guī)定.當電路沒有按預(yù)期運行時，可能需要許多漫長而令人沮喪的小時才能追蹤到由比預(yù)期更細的銅線引起的問題。

Maxim工程師開發(fā)了一種快速簡便的方法，用于在組裝前驗證PCB銅厚度。這有助于通過減少故障排除時間、防止不必要的浪費和避免生產(chǎn)線上的任何停機時間來降低成本。

銅厚度通常以“盎司每平方英尺”（平方英尺）為單位，因此稱為“銅重量”。為了確定PCB銅的重量，可以在PCB上方便的位置添加預(yù)定長度和寬度的試紙。接下來，測量該試紙的電阻。由于試紙的電阻太小，無法用普通歐姆表檢測到，因此通過試紙傳遞一個小的恒定電流并測量試紙兩端的電壓。該電壓與試紙上的電阻成正比。最后，將試紙上的測量電壓轉(zhuǎn)換為銅重量。

只需一個低成本的恒流源、電壓表和一個 5W 電阻即可進行測量。這種測試設(shè)置可以很容易地復(fù)制用于樣品測試、多條生產(chǎn)線上的小批量生產(chǎn)測試，或者在進貨檢驗時分揀出銅層比所需薄的 PCB。它將最大限度地減少使用不合格電路板的機會。

讓我們看看它是如何工作的：包括一個 50 密耳寬的試紙，并包含兩個過孔（試紙兩端一個），間隔 2000 密耳（中心到中心），作為 PCB 制造過程的一部分。通過50mA電流通過試紙。這可以通過在試紙上串聯(lián)一個 ~5V 直流電源、一個電流表和一個 100Ω （5W） 電阻來完成（圖 4）。調(diào)整 ~5V 直流電源，直到電流表讀數(shù)正好為 50mA。測量試紙上的電壓（以毫伏為單位）。由于試紙兩端的電壓非常小，請確保所有連接都接觸良好。

圖4.2000 mil × 50 mil 銅重量測試條設(shè)置和連接。

使用以下公式將試紙兩端的電壓轉(zhuǎn)換為銅重量：

CuWt = 0.978/(VSTRIP)

其中 VSTRIP 是測試條兩端的電壓，以毫伏為單位，CuWt 是測試條的銅重量，以 [oz/sqft] 為單位

例如，測量承載50mA電流的2000mil×50mil試紙，我們測量尖端兩端0.489mV的電壓。使用 CuWt 方程， 很明顯，這條帶的銅重量為 2oz.

審核編輯：郭婷