通过过孔缝制PCB布局中的大电流走线

2021-05-26

通过过孔缝制PCB布局中的大电流走线

电路板上大电流走线的潜在问题。

布线电源走线和使用大电流缝合过孔的设计技巧。

使用您的PCB设计工具来帮助进行电源布线。

在电路板设计中，同样的一般警告规则也适用。高电流是设计的必要条件，但是如果您在PCB布局中未给予应有的重视，它也可能导致一些不愉快的后果。

必须在设计中管理电源和地，并正确分配给它们所连接的不同组件。用来管理PCB布局中大电流的一种技术是缝合过孔，它可以帮助通过电路板传递电流的热量和能量。这是有关在下一个PCB设计中使用过孔缝合处理大电流走线的更多信息。

电路板上的大电流问题

许多系统在其操作中会消耗大量功率，并且这些系统中的电路板将需要传导大电流。但是，如果没有针对该电流水平正确设计电路板，则该电路板可能会在电气上或在结构上发生故障。例如，一块电路板使用的金属量不足，无法通过其电源层传导电流，走线可能会变得过热。如果散热不正确，则会影响未为其专门设计的组件的正常运行。最终，热量将产生一个多米诺骨牌场景，越来越多的零件受到影响，最终导致电路板故障。

高电流可能对电路板造成负面影响的另一个示例是电路板结构的物理故障。原始电路板制造中使用的材料可以承受很多热量，但只能承受一定程度的热量。FR-4是用于PCB制造的标准材料，玻璃化转变温度（Tg）额定值为130摄氏度。超过该点，其固体形式将变得不稳定并可能开始熔化。但是，即使在未达到该温度之前，热量也可能最终通过板上的任何细金属迹线燃烧，从而形成断路，例如保险丝熔断。

为避免这些和其他大电流问题，必须谨慎设计这些电路在PCB布局中的设计方式。

组件之间的短而直接的电源和模拟走线路由

大电流电路的电气和热量考虑

高电流会在电路板上产生大量噪声，尤其是与开关电源相关的电流。接通和断开状态之间的切换将产生EMI，EMI的强度将随着开关的上升时间的增加而增加。虽然可以解决此问题，但也可以使用以下一些旨在降低噪声的PCB布局技术来控制该问题。

电源电路中的组件应放置得足够近，以进行短而直接的走线连接，同时又不要破坏以下针对可制造性（DFM）规则的设计：

电源组件应全部位于板的同一侧，以消除板内布线的需要。 

电源的大电流组件（例如电感器和IC）应尽可能靠近，以实现最短的连接。 

像这样将组件放在一起，布线应该在电源部件内非常直接。您将希望走线尽可能宽，以保持较低的电感并降低EMI的可能性。 

这种策略将使您更好地控制电源电路中存在大电流的电气和散热问题，但是仍然存在将大电流路由到电路板上其他点的问题。这样的大电流布线中的热问题将需要更多的金属，这可能需要在不止一层上布线。在这里，在大电流走线中使用缝合过孔会有所帮助。

用三个通孔缝合到另一层上的走线的电源走线

通过过孔缝合可在PCB布局中形成大电流走线

在布线大电流走线时，总是最好使用尽可能多的金属以减少热量并降低电感。但是，很多时候板上的空间不足以使电源走线达到所需的宽度。解决方案是在电路板上的多层走线。通过将不同层上的走线与过孔缝合在一起，您将有效地将载流能力与单层上的载流能力相乘。在上图中，您可以看到电路板内部层上的电源走线，其中有三个缝合过孔，可与相邻层上的配套走线连接。这样可以腾出空间用于板子外部层上的其他布线或其他组件。

需要注意的是，在大电流走线上还会产生大量的热量。通过将多个电源走线和内部层上的过孔缝合在一起，您将为更多的金属提供热量共享的途径，但是仍然需要进行散热。这可以通过热过孔来完成，该过孔将热量传导到板的外层上的金属焊盘上以进行冷却。您可以为大电流走线提供的散热量越多，电路板的性能就越好，遭受热损坏的可能性也就越小。

在规划设计时，还应牢记一些其他当前需要考虑的布局问题：

PCB制造：如果您的电路板要在高电流下非常热地运行，则最好探索其他可以承受更高工作温度的材料。尽管这些材料的成本可能更高，但从长远来看，它们可能会避免与热有关的问题，从而为您节省开支。您还应该与制造商一起为大电流电路板开发最佳的层堆叠配置和电源平面策略。

板的厚度：通过增加板的厚度，可以增加铜的重量，从而使走线更粗。这可以允许您减小走线宽度，从而留出更多的布线空间和元件放置空间。与任何制造问题一样，在将其包含在设计中之前，应与制造商就这些更改达成一致。

自动化组装：如我们所见，由于电流和电气原因，更高的电流需要更多的金属。但是，与此同时，在操作过程中会散发不希望的热量的相同金属也可能给PCB组装带来问题。大面积的金属会导致较小零件的热不平衡，从而影响其焊接。为避免这种情况，将零件直接连接到宽导线或大面积金属时，请确保使用散热片。

元件放置：如果可以避免，则应将载有高电流和高温的元件放置在电路板的边缘。通过将这些零件更多地放置在电路板的中央，可以为电路板自然散热提供更大的空间。

在所有这些设计技术中，为您工作的最佳资产是PCB设计工具中的功能，我们将在下面进行介绍。

Allegro PCB编辑器中的约束管理器用于设置电源设计规则

在布设高电流走线时充分利用您的PCB设计工具

路由印刷电路板通常需要多个走线宽度和过孔，具体取决于要路由的内容。信号走线需要较细的走线和较小的通孔，而电源和接地布线通常则相反。有时，不同的电源网将需要不同的宽度，具体取决于它们所承载的电流水平。为了帮助布局设计师应对这些挑战，PCB设计工具通常具有约束管理系统来设置走线宽度和间距规则。

在上面的图片中，您可以在Cadence的Allegro PCB编辑器工具中看到约束管理器的图片。有了它，您可以根据需要为许多不同的网输入各种宽度，以及它们自己的独特间距和首选的通孔。此外，约束管理器允许用户设置可以分配特定网络的网络类。这使您能够为一组类似的网络创建规则集，从而不必更改每个单独的网络。但是，这仅仅是约束管理器为您提供的功能的开始。

使用约束管理器，可以为高速设计拓扑和迹线长度设置规则。您还可以为PCB组装创建规则，以控制组件之间的间距或应如何在细间距部件上应用阻焊剂。甚至还有一个部分可以设置电气规则，以便您根据信号的时序和延迟值进行设计。借助约束管理器的多功能性，您将拥有通过缝合过孔布线所需的功率，以在PCB设计中实现大电流走线。