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大电流电路板设计入门
大电流电路板设计入门
以高电流或高电压运行的系统面临着一系列独特的挑战，这些挑战在小型数字系统中是看不到的。操作员可能会暴露在不安全的条件下，设计可能会因热量或静电放电而失败。但是，正确的PCB设计决策有助于降低与电力电子设备交互的风险。在本指南中，我们将了解在大电流电路板设计中要考虑的一些基本设计点。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与高压设计中的类似，尤其是当我们考虑安全性时。
大电流电路板布局的基础知识
有一些不需要在高压下运行的大电流PCB设计的很好的例子。此外，“高电压”与“高电流”的概念有些武断。区分这些类型设计的最佳指标可能是安全性。如果由于直流电流而存在触电或过热的风险，那么您可能需要应用其中一些设计原则来确保安全性和可靠性。
元件选择
大电流设计和电源系统通常从组件中获得大部分可靠性。听起来很明显，请确保在选择过程中考虑到组件的安全裕度。一般来说，最好从查看两个规范开始：
额定电流，特别是MOSFET和电感元件
热阻值（如果有）
您可以使用估计或设计的工作电流来确定功耗，或使用上述第一个规范来获得最坏情况下的值。这两者都将有助于热管理，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来确保可靠性。
对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。下面显示了可以处理非常高电流的两个机械螺钉端子连接器示例。
选择合适的铜重量
走线中使用的铜电阻会产生一些直流功率损耗，这些损耗会以热量的形式消散。对于电流非常大的设计，这变得非常重要，尤其是在元件密度很高的情况下。防止大电流PCB中直流损耗的唯一方法是使用具有较大横截面积的铜。这意味着，要么需要较重的铜，要么需要更宽的走线以保持焦耳热和功率损耗足够低。使用PCB走线宽度与电流表来确定防止过度温升所需的铜重量和/或走线宽度。
做大：使用平面而不是轨迹
如果您必须将非常高的电流引入电源系统，并且走线太宽而无法满足您的需求，请使用电源层而不是走线。举个例子，在我们过去做过的 Eurocard 格式背板中，我们使用多个电源层从两个专用低压（最大 24 V）电源提供100 A电流。当您需要支持极端电流时，您可以在其他系统中使用相同的策略。
覆铜热通孔
在空气滞留的电路板外壳内，如果仅依靠传导或自然对流，则很难将热量从设备中转移出去。热通孔可以放置在板上，表面层有铜，通过提供与平面层 (GND) 的直接连接，提供额外的热量从某些组件转移出去。这可用于靠近热元件或走线的电路，只是为了提供一些远离表层的额外热传导，但不应在需要隔离的情况下使用，例如电源变压器的初级和次级匝之间。
尽管热通孔有利于针对特定组件，但更好的策略是考虑如何使用大型散热器或直接传导至外壳的路径来提供高散热。
注意接地
大电流系统可能需要使用同一种安全故障措施。通过适当的接地策略可以实现一定程度的安全性和 EMI。通常，您不应分开接地，但涉及高电流和/或高电压的电力系统是一个例外。接地需要在输入交流、非稳压直流和稳压直流部分之间分开。
一个很好的起点是您可以在交流系统或隔离电源中找到的接地策略。通常，对于大电流电源系统，您将采用3线直流布置（PWR、COM、GND），其中GND连接实际上是接地连接。您的电路板可能使用隔离策略，其中输出侧与GND断开，而输入侧接地以确保发生故障时的安全。
使用较厚的电路板
起初，这似乎违反直觉。你会认为更薄的电路板可以提供更大的远离组件的传导，那么为什么要使用更厚的电路板。事实上，当使用非标准板厚时，板内热阻会更低，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组件提供更大的机械支撑，特别是板上安装的电感组件和大型散热器。
ESD和安全
DC的这一部分存在其自身的一系列问题，尤其是在电力系统中，尤其是在同时在高电压和高电流下运行的设计中。要了解有关在高压下运行的电源系统中的ESD保护的更多信息。