大电流电路板设计入门——西安速佳电子

大电流电路板设计入门——西安速佳电子
以高电流或高电压运行的系统面临着一系列独特的挑战，这些挑战在较小的数字系统中是看不到的。操作员可能会暴露在不安全的环境中，并且设计可能会因热量或静电放电而失败。然而，正确的PCB设计决策有助于降低与电力电子设备交互所涉及的风险。在本指南中，我们将介绍在高电流电路板设计中要考虑的一些基本设计要点。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电压设计中的相似，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

有一些高电流PCB设计的好例子，它们不一定在高电压下运行。此外，“高电压”与“高电流”的概念有点武断。区分这些类型设计的较佳指标可能是安全性。如果直流电流存在触电或过热的风险，那么您可能需要应用其中的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。尽管听起来很明显，但请确保在选择期间考虑组件的安全裕度。一般来说，建议先看两个规格：

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，或使用上面的第一个规格来获得较坏情况下的值。这两者都有助于热管理，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以确保可靠性。

其他对大电流电路板很重要的组件（例如连接器）可能具有非常高的额定值，并且在电源系统中非常有用。下面显示了可以处理非常高电流的机械螺钉端子连接器的两个示例。

选择合适的铜重量

走线中使用的铜的电阻会产生一些直流功率损耗，这些损耗会以热量的形式散失。对于非常大的电流设计，这变得非常重要，特别是当组件密度很高时。防止大电流PCB中直流损耗的方法是使用横截面积更大的铜。这意味着，要么需要更重的铜，要么需要更宽的走线以保持足够低的焦耳热和功率损耗。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。

变得更大：使用平面而不是轨迹

如果您必须将非常高的电流输入电源系统，而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，在我们过去所做的Eurocard格式背板中，我们使用多个电源层从两个专用低压（24 V）电源提供100 A的电流。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。

覆铜散热孔

在空气停滞的电路板外壳内，如果您仅依靠传导或自然对流，则很难将热量从设备中转移出去。热通孔可以放置在表面层有铜的电路板上，通过提供到平面层 (GND) 的直接连接来提供额外的热传递，从而远离某些组件。这可用于靠近热元件或走线的电路，以提供远离表面层的额外热传导，但不应在需要隔离的情况下使用，例如在电源变压器的初级和次级匝之间。

虽然散热孔有利于针对特定组件，但更好的策略是考虑如何使用大散热器或直接传导路径到外壳来提供高散热。下面显示了一组并联MOSFET的示例。

注意地面

大电流系统可能需要使用相同类型的安全故障措施。通过适当的接地策略可以实现一定程度的安全和EMI。通常，您不应分割接地，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。

一个很好的起点是交流系统或隔离电源中的接地策略。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断开连接，而输入侧接地以确保发生故障时的安全。

使用更厚的电路板

乍一看，这似乎违反直觉。您会认为更薄的电路板可以提供更好的远离组件的传导，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，面内热阻会更低，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元件提供更大的机械支撑，尤其是安装在板上的电感元件和大型散热器。

ESD和安全

直流的这一部分存在其自身的一系列问题，特别是在电力系统中，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，请阅读有关常见ESD电路设计的指南。

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