在高負(fù)載應(yīng)用中如何管理銅墊，銅走線(xiàn)和平面？

在今天的世界中，包含低功耗閃爍LED（用于狀態(tài)指示之類(lèi)）的PCB設(shè)計(jì)在世界上很普遍，但是如果該LED需要超過(guò)10安培的電流怎么辦？還是20安培呢？或者如果驅(qū)動(dòng)它所需的電壓超過(guò)100V怎么辦？在什么時(shí)候負(fù)載被認(rèn)為是高電壓或高電流，這對(duì)PCB設(shè)計(jì)過(guò)程意味著什么？在為此類(lèi)情況指定組件和布局PCB時(shí)，必須考慮幾個(gè)因素，所以讓我們直接進(jìn)入。

PCB銅走線(xiàn)，銅墊和銅平面中的高電流

電流是通過(guò)銅走線(xiàn)和平面?zhèn)鬏數(shù)?，這是非常常識(shí)。但是，這些走線(xiàn)和平面具有與之相關(guān)的電阻，并且取決于電流量，可能會(huì)對(duì)電路板的性能產(chǎn)生負(fù)面影響，在某些情況下，甚至?xí)p壞電路板和組件。在極端條件下，如果板出現(xiàn)故障，甚至機(jī)器及其操作員都可能面臨危險(xiǎn)。

PCB走線(xiàn)越長(zhǎng)和越窄，走線(xiàn)的電阻就越高，從而導(dǎo)致兩個(gè)信號(hào)端點(diǎn)之間的壓降更大。當(dāng)承載大量電流時(shí)，走線(xiàn)或平面也會(huì)發(fā)熱，這可能會(huì)影響附近的敏感元件，同時(shí)也使銅的完整性受到威脅。

在提供可靠，安全的設(shè)計(jì)的同時(shí)管理大電流應(yīng)用的最佳方法是什么？

相關(guān)文章“ PCB設(shè)計(jì)中PCB跡線(xiàn)寬度的重要性”提供了在各種應(yīng)用中使用的跡線(xiàn)寬度，長(zhǎng)度和樣式的高級(jí)視圖。部分之一介紹了如何計(jì)算PCB走線(xiàn)寬度并用于優(yōu)化壓降。此處適用相同的計(jì)算。如果設(shè)計(jì)人員可以進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)劃并使用應(yīng)用程序的電流要求來(lái)驅(qū)動(dòng)給定走線(xiàn)長(zhǎng)度的最小走線(xiàn)寬度，那么就可以對(duì)壓降進(jìn)行量化并放心地布置。它有助于了解哪些PCB特性會(huì)影響這些值以及如何在設(shè)計(jì)中更改它們。當(dāng)走線(xiàn)的電流超出寬度或面積的實(shí)際值時(shí)，可以使用其他策略來(lái)最大化銅。

默認(rèn)情況下，典型的銅重量設(shè)置為1盎司（或140密耳厚度），但是通常可以在給定層上增加該銅厚度。外層的銅重量可能高達(dá)15盎司（或21密耳）。這不僅會(huì)增加整體PCB的厚度，重量和制造成本，而且由于蝕刻工藝的原因，還需要在焊盤(pán)和組件之間留出更大的間距，因此在選擇較厚的銅重量時(shí)必須考慮平衡點(diǎn)。

可以拉動(dòng)另一個(gè)杠桿以增加給定功率信號(hào)的銅量的另一種方法是將走線(xiàn)或平面分布在多個(gè)層上，并通過(guò)稱(chēng)為過(guò)縫的技術(shù)將它們綁在一起。通孔縫合在通信設(shè)備中很常見(jiàn)，在通信設(shè)備中，屏蔽和噪聲/串?dāng)_抑制非常重要，但它也有助于進(jìn)行熱管理并降低走線(xiàn)的整體電阻。這對(duì)于在外殼上包含散熱墊的功率組件非常常見(jiàn)，有助于降低焊盤(pán)到焊盤(pán)結(jié)點(diǎn)的溫度。

相同的想法可以應(yīng)用于電源平面或走線(xiàn)，可以在多層上鏡像并與多個(gè)過(guò)孔綁在一起，如圖1所示。請(qǐng)記住，過(guò)孔本身就像微電阻一樣，因此請(qǐng)確保過(guò)孔的直徑將各層連接在一起的大小不能太小，并確保有足夠的通孔來(lái)幫助傳遞熱量。

PCB中要考慮的熱性能：銅走線(xiàn)，銅墊和銅平面

盡管可以使用某些PCB設(shè)計(jì)策略來(lái)管理PCB的熱性能，但與PCB供應(yīng)商合作并選擇合適的板層堆疊也可以大大降低大電流產(chǎn)生的板溫度。選擇會(huì)降低熱膨脹系數(shù)（CTE）的疊層材料可以限制PCB在加熱或冷卻時(shí)的膨脹和收縮，這將提高PCB的耐用性并有助于最大程度地減少結(jié)構(gòu)故障。對(duì)于電流較高且溫度難以控制的應(yīng)用，填充鋁，銅或其他特殊金屬的金屬芯PCB可以幫助將熱量散布到整個(gè)PCB上

某些PCB設(shè)計(jì)軟件（例如Altium Designer）可以可視化顯示熱分布。如果您擁有可用的工具，則其中的某些功能可以非常有效地提供潛在熱點(diǎn)及其管理方式的快照。圖2顯示了Altium的PDN分析儀工具，直觀地展示了整個(gè)PCB的熱量分布。

除了最大化給定信號(hào)的銅面積之外，還可以采用其他非PCB冷卻技術(shù)，例如散熱器（被動(dòng)冷卻）或增加氣流（主動(dòng)冷卻）。散熱器通常與需要額外功耗的組件一起使用，但也可以與導(dǎo)熱膏一起安裝到裸露的銅走線(xiàn)或平面上，以實(shí)現(xiàn)最佳的熱傳遞。氣流通常是理想的，雖然它可能很復(fù)雜且實(shí)現(xiàn)成本更高，但通常值得付出努力。

最后，在高電流應(yīng)用無(wú)法保護(hù)硬件和附近操作員的情況下，結(jié)合故障安全電路和冗余始終是最佳實(shí)踐。軟啟動(dòng)電路，過(guò)流保護(hù)和保險(xiǎn)絲，電流監(jiān)控器和調(diào)節(jié)器，繼電器和互鎖以及一般浪涌保護(hù)是在發(fā)生故障時(shí)可用于監(jiān)視，保護(hù)和斷開(kāi)負(fù)載的組件示例。在PCB供應(yīng)商處進(jìn)行的模擬負(fù)載功能測(cè)試也可以幫助防止正常使用期間的故障和不安全狀況。

PCB銅走線(xiàn)，銅墊和銅平面中的高壓

高電壓設(shè)計(jì)與高電流應(yīng)用有很大不同，并且可能會(huì)更加棘手。首先，AC領(lǐng)域中的高壓被認(rèn)為超過(guò)1000V，但對(duì)于DC電壓則要低得多。根據(jù)美國(guó)職業(yè)安全與健康管理局（OSHA）的規(guī)定，任何等于或高于50V的電壓均會(huì)對(duì)AC和DC應(yīng)用產(chǎn)生危害。而且，請(qǐng)不要忘記，交流電壓包含均方根（RMS）參數(shù)，當(dāng)計(jì)算峰值時(shí)，其峰值將高出1.4倍左右。在設(shè)計(jì)用于更高電壓的應(yīng)用時(shí)，必須考慮許多因素，例如裸露的觸點(diǎn)和銅之間的間隙，以防止產(chǎn)生電弧，絕緣的布線(xiàn)或電纜，并確保在電路板疊層中選擇正確的材料（基板和層壓板）。

首先，讓我們看看最重要的一個(gè)：間隙。

對(duì)高壓PCB設(shè)計(jì)，UL60950-1（美國(guó)），CSA22.3（加拿大）或任何其他有關(guān)高壓設(shè)計(jì)要求的適用標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行審查和理解是必不可少的。這包括有關(guān)兩個(gè)電路（或觸點(diǎn)）之間的最小間隙和爬電距離的信息。由于電壓是電勢(shì)差，因此電子產(chǎn)品將希望找到一種方法，從高電勢(shì)過(guò)渡到低電勢(shì)，即使這意味著“跨越空氣間隙”。通常將其稱(chēng)為電弧放電，這是一種危險(xiǎn)事件，可能會(huì)損壞電路板并引起火災(zāi)。

爬電距離是什么意思？與兩點(diǎn)之間的電氣間隙有何不同？

PCB上的間隙定義為兩條導(dǎo)體之間通過(guò)空氣的最小直接距離，而爬電距離是指沿著PCB表面的導(dǎo)體之間的距離的長(zhǎng)度。并且，如圖3所示，這些距離的最小值由工作電壓確定。峰值直流電壓將確定電氣間隙，而交流電壓的RMS值將確定爬電距離。

滿(mǎn)足這些最小間隙和爬電距離值并不總是容易的，但是一些策略包括在PCB的兩側(cè)放置組件以最大程度地增大兩個(gè)銅表面之間的距離，以及使用各種厚度的絕緣材料來(lái)最大化爬電距離。

保形涂層是高壓電路中的一種常見(jiàn)做法，是在PCB表面上施加不導(dǎo)電的絕緣材料。除了幫助預(yù)防電弧和高壓外，它還增加了其他一些好處，例如熱，結(jié)構(gòu)和環(huán)境保護(hù)。IPC-A-610是這些涂料參考的典型標(biāo)準(zhǔn)，但根據(jù)應(yīng)用情況，可以應(yīng)用更嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)。

而且，在配置電路板的疊層時(shí)，根據(jù)功率要求，考慮遠(yuǎn)離非常常用的FR-4基板材料可能很有用。聚四氟乙烯（PTFE）和聚酰亞胺基材的額定溫度更高，通常為高壓應(yīng)用提供更多支持。另外，預(yù)浸料（預(yù)浸樹(shù)脂的玻璃纖維將PCB中的每一層保持在一起）也采用了更高額定值的材料和玻璃樣式，例如1080或2113。與您的PCB供應(yīng)商合作，看看有哪些選擇可用于更高電壓和功率的材料。

確保測(cè)試高電位表面

您可以在制造過(guò)程中提供的最佳保險(xiǎn)政策之一就是進(jìn)行測(cè)試，以確保PCB在高電勢(shì)表面之間具有良好的隔離和間距。該測(cè)試通常稱(chēng)為耐壓測(cè)試或介電測(cè)試。與連續(xù)性測(cè)試相反，它檢查電壓水平升高時(shí)，沒(méi)有任何電流從任何兩個(gè)未連接的導(dǎo)體中流出。在生產(chǎn)過(guò)程中執(zhí)行該測(cè)試將有助于清除掉那些含有缺陷的電路板，并有助于最大程度地減少現(xiàn)場(chǎng)故障（和不安全條件），同時(shí)提高PCB的整體可靠性。

在高負(fù)載應(yīng)用中管理銅焊盤(pán)，銅走線(xiàn)和銅平面的摘要

在高負(fù)載應(yīng)用中管理銅墊，銅走線(xiàn)和銅平面的最佳方法是測(cè)試并監(jiān)視以下各項(xiàng)：

l 大電流

l 熱性能

l 高壓

l 爬電

l 高潛力

如果考慮到以上幾個(gè)方面，您將可以很好地進(jìn)行測(cè)試，并確保新PCB具有在高負(fù)載應(yīng)用中正常運(yùn)行所需的一切。