通過過孔縫制PCB布局中的大電流走線

2021-05-26

通過過孔縫制PCB布局中的大電流走線

電路板上大電流走線的潛在問題。

布線電源走線和使用大電流縫合過孔的設計技巧。

使用您的PCB設計工具來幫助進行電源布線。

在電路板設計中，同樣的一般警告規則也適用。高電流是設計的必要條件，但是如果您在PCB布局中未給予應有的重視，它也可能導致一些不愉快的后果。

必須在設計中管理電源和地，并正確分配給它們所連接的不同組件。用來管理PCB布局中大電流的一種技術是縫合過孔，它可以幫助通過電路板傳遞電流的熱量和能量。這是有關在下一個PCB設計中使用過孔縫合處理大電流走線的更多信息。

電路板上的大電流問題

許多系統在其操作中會消耗大量功率，并且這些系統中的電路板將需要傳導大電流。但是，如果沒有針對該電流水平正確設計電路板，則該電路板可能會在電氣上或在結構上發生故障。例如，一塊電路板使用的金屬量不足，無法通過其電源層傳導電流，走線可能會變得過熱。如果散熱不正確，則會影響未為其專門設計的組件的正常運行。最終，熱量將產生一個多米諾骨牌場景，越來越多的零件受到影響，最終導致電路板故障。

高電流可能對電路板造成負面影響的另一個示例是電路板結構的物理故障。原始電路板制造中使用的材料可以承受很多熱量，但只能承受一定程度的熱量。FR-4是用于PCB制造的標準材料，玻璃化轉變溫度（Tg）額定值為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。但是，即使在未達到該溫度之前，熱量也可能最終通過板上的任何細金屬跡線燃燒，從而形成斷路，例如保險絲熔斷。

為避免這些和其他大電流問題，必須謹慎設計這些電路在PCB布局中的設計方式。

組件之間的短而直接的電源和模擬走線路由

大電流電路的電氣和熱量考慮

高電流會在電路板上產生大量噪聲，尤其是與開關電源相關的電流。接通和斷開狀態之間的切換將產生EMI，EMI的強度將隨著開關的上升時間的增加而增加。雖然可以解決此問題，但也可以使用以下一些旨在降低噪聲的PCB布局技術來控制該問題。

電源電路中的組件應放置得足夠近，以進行短而直接的走線連接，同時又不要破壞以下針對可制造性（DFM）規則的設計：

電源組件應全部位于板的同一側，以消除板內布線的需要。 

電源的大電流組件（例如電感器和IC）應盡可能靠近，以實現最短的連接。 

像這樣將組件放在一起，布線應該在電源部件內非常直接。您將希望走線盡可能寬，以保持較低的電感并降低EMI的可能性。 

這種策略將使您更好地控制電源電路中存在大電流的電氣和散熱問題，但是仍然存在將大電流路由到電路板上其他點的問題。這樣的大電流布線中的熱問題將需要更多的金屬，這可能需要在不止一層上布線。在這里，在大電流走線中使用縫合過孔會有所幫助。

用三個通孔縫合到另一層上的走線的電源走線

通過過孔縫合可在PCB布局中形成大電流走線

在布線大電流走線時，總是最好使用盡可能多的金屬以減少熱量并降低電感。但是，很多時候板上的空間不足以使電源走線達到所需的寬度。解決方案是在電路板上的多層走線。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，其中有三個縫合過孔，可與相鄰層上的配套走線連接。這樣可以騰出空間用于板子外部層上的其他布線或其他組件。

需要注意的是，在大電流走線上還會產生大量的熱量。通過將多個電源走線和內部層上的過孔縫合在一起，您將為更多的金屬提供熱量共享的途徑，但是仍然需要進行散熱。這可以通過熱過孔來完成，該過孔將熱量傳導到板的外層上的金屬焊盤上以進行冷卻。您可以為大電流走線提供的散熱量越多，電路板的性能就越好，遭受熱損壞的可能性也就越小。

在規劃設計時，還應牢記一些其他當前需要考慮的布局問題：

PCB制造：如果您的電路板要在高電流下非常熱地運行，則最好探索其他可以承受更高工作溫度的材料。盡管這些材料的成本可能更高，但從長遠來看，它們可能會避免與熱有關的問題，從而為您節省開支。您還應該與制造商一起為大電流電路板開發最佳的層堆疊配置和電源平面策略。

板的厚度：通過增加板的厚度，可以增加銅的重量，從而使走線更粗。這可以允許您減小走線寬度，從而留出更多的布線空間和元件放置空間。與任何制造問題一樣，在將其包含在設計中之前，應與制造商就這些更改達成一致。

自動化組裝：如我們所見，由于電流和電氣原因，更高的電流需要更多的金屬。但是，與此同時，在操作過程中會散發不希望的熱量的相同金屬也可能給PCB組裝帶來問題。大面積的金屬會導致較小零件的熱不平衡，從而影響其焊接。為避免這種情況，將零件直接連接到寬導線或大面積金屬時，請確保使用散熱片。

元件放置：如果可以避免，則應將載有高電流和高溫的元件放置在電路板的邊緣。通過將這些零件更多地放置在電路板的中央，可以為電路板自然散熱提供更大的空間。

在所有這些設計技術中，為您工作的最佳資產是PCB設計工具中的功能，我們將在下面進行介紹。

Allegro PCB編輯器中的約束管理器用于設置電源設計規則

在布設高電流走線時充分利用您的PCB設計工具

路由印刷電路板通常需要多個走線寬度和過孔，具體取決于要路由的內容。信號走線需要較細的走線和較小的通孔，而電源和接地布線通常則相反。有時，不同的電源網將需要不同的寬度，具體取決于它們所承載的電流水平。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。

在上面的圖片中，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，您可以根據需要為許多不同的網輸入各種寬度，以及它們自己的獨特間距和首選的通孔。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。這使您能夠為一組類似的網絡創建規則集，從而不必更改每個單獨的網絡。但是，這僅僅是約束管理器為您提供的功能的開始。

使用約束管理器，可以為高速設計拓撲和跡線長度設置規則。您還可以為PCB組裝創建規則，以控制組件之間的間距或應如何在細間距部件上應用阻焊劑。甚至還有一個部分可以設置電氣規則，以便您根據信號的時序和延遲值進行設計。借助約束管理器的多功能性，您將擁有通過縫合過孔布線所需的功率，以在PCB設計中實現大電流走線。