大功率电路的布局注意事项

随着消费类器件尺寸的不断缩小，功耗考虑和适当的热设计对电路设计人员和电路板布局工程师来说变得越来越重要。本教程可帮助设计人员确保电路板既电气健全又热平衡，以实现正常运行和最佳效率。

快速热教程

通常，半导体器件的热方程可以按照电方程进行建模，这样众所周知和喜爱的欧姆定律（V = I × R）变为ΔT = P × θ，其中ΔT是以°C为单位的热差，P是以瓦特为单位的功率，θ是热阻（°C/W）。对于半导体器件，ΔT是器件结点（例如，芯片中最热点）和另一点（例如外壳、环境空气或电路板）的温差，热阻抗θ是从一点到另一点的热阻。热阻通常从IC的结点到另一点（环境空气、封装、外壳或电路板）进行测量，并被描述为结点到环境电阻θ贾， 结壳电阻， θ杰克，或结对板电阻，θ新山，在数据手册中（图1）。

图1.半导体IC热阻抗的建模方式与电路大致相同，如欧姆定律所述。

需要良好的散热设计才能使设备在安全温度限制内运行。结温，TJ，对于 IC 可以计算为 TJ= T一个+ （P × θ贾），并且不应超过制造商数据手册中列出的限值（通常范围为+125°C至+175°C）。热阻值也应从原始制造商处获得，因为它们高度依赖于封装和器件。

需要注意的是，虽然热方程可以建模为电方程，但使用电力时的预期精度不适用于热操作。通常，实际热特性可能与计算值相差多达 30%。

主板的功耗注意事项

电路板布局应从设计之初就考虑。高功率电路板最重要的规则是了解您的电源路径.流过电路的功率的位置和量是决定IC位置以及印刷电路板（PCB）上所需的散热类型和量的主要因素。

许多因素会影响给定设计的布局量。这些因素包括：

流过电路的功率量

器件和电路板周围的环境温度

设备和电路板周围的气流量

板材材质

电路板上的 IC 密度

元件放置

模拟电路和混合信号电路板通常包括大功率模拟模块和敏感的数字或低功耗模拟模块。通过设计和放置电源块开始布局。保持单个电源块中的连接短而宽，并确保避免不必要的接地回路和噪声产生。本文已经编写了多篇关于大功率电路布局技术和推荐的教程和应用笔记。1,2,3一般来说，请记住：

识别并减少电流环路，尤其是高电流路径。

限制元件之间的阻性压降和其他寄生效应。

将大功率电路放置在远离敏感电路的位置。

使用良好的接地技术。

此外，避免在PCB上将多个电源组件收集在一起。将这些发热元件均匀地放置在电路板上，可以最大限度地提高电路板的热平衡，并保护PCB免于翘曲。有效减少电路板上的热量还可以在工作期间保护其他敏感电路和信号。

集成电路和元件安装

当功率流过电路时，无源和有源元件都会产生热量。无源元件和IC中产生的热量必须散发到器件周围较冷的环境空气中。该热量通常通过封装或器件的引线框架散发。

在过去几年中，IC封装制造商已经构建了越来越热友好的封装。然而，即使有了这些封装的进步，随着IC尺寸的不断缩小，散热也变得越来越困难。

许多IC封装和电路板设计没有为外部散热器留出太多空间，需要另一种方法来提取热量 - 进入裸露焊盘（EP）。带有 EP 的封装内的芯片直接连接到 EP，以实现最佳热性能。将这些IC正确安装在PCB上可优化从封装到电路板的热传递。关于单个IC的热考虑因素和安装技术的讨论已被许多可靠的来源充分记录，超出了本文的范围。有关单个封装安装技术的更多信息，请参见应用笔记862：“QFN和其他裸露焊盘封装的散热考虑因素”。

散热器

电源路径中的组件会产生大量热量。这些组件需要快速有效地将热量散发到周围环境中。一种常用的散热方法是在电路板上添加一个外部散热器。散热器的目的是从设备中去除热量并将其分配到环境空气中。外部散热器通常由铝或铜等高导热材料制成，可提供更大的散热面积，如果可能，应放置在气流路径中，以获得最大的散热。当使用外部散热器时，IC定位变得越来越重要，并且必须设计电路板，以便可以将散热器固定在适当的位置。为了优化从IC到散热器的传热，您还可以使用热环氧树脂来缓解器件之间的传热。

散热器通常需要电路板上的大量空间，可能不适合小型或紧凑型应用。当空间非常宝贵时，设计PCB以优化通过电路板本身的传热。

电路板布局

应特别注意在IC和组件之间正确布线大功率路径。如果使用不当，铜走线中的电阻会导致电路板上的大量功率损耗和发热。保持功率元件之间的走线又短又宽，并对高电流路径使用较粗的铜走线。对于 1oz 铜，当温度升高 10°C 时，建议的每安培最小走线宽度范围为 10mil 至 30mil，基于 IPC-2221 PCB 设计标准中的设计图表。4（有关详细信息，请参阅本教程中的“跟踪厚度”部分。使用对于给定电流来说太小的走线可能会导致整体性能下降，甚至在极端情况下熔断。就电源走线而言，越大越好。

电路板设计人员还可以在电路板中使用大铜平面和过孔来去除器件的热量。大平面增加了PCB上用于器件散热的可用面积。理想情况下，这些平面连接在电路板的顶层或底层，以最大限度地传输到周围环境，但是即使是内部平面也可用于消耗PCB上器件的一些功耗。

过孔用于将功率从电路板上的一层传输到另一层。它们将热量从封装板连接引导到另一个平面或层。多个过孔降低了从IC到耗散层的热阻。

一个快速的例子

Maxim电池仿真电路5是用于布局目的的高功率电路的一个相对简单和直接的示例。该电路不包含任何开关器件或灵敏控制电路，无需多个接地层或保护措施。

仿真器电路的主电源路径从 BATT+ 节点开始，流经 100mΩ 串联输入电阻和 TIP35 晶体管，返回 BATT- 节点（图 2）。

图2.Maxim的电池模拟器电路。

假设充电电流为3A，输入检测电阻必须能够处理至少900mW的功率。为了尽量减少工作期间电阻的变化，应使用能够处理超过1W的检测电阻，以确保恒定的输入串联电阻。单个 5W 电阻或多个 1W 并联电阻器工作良好（图 3）。

电路中的TIP35晶体管必须处理电路中的大部分功率。在最坏情况下，TIP35晶体管两端的功率可以计算如下：

P提示35= （V蝙蝠+- 五巴特-） × I巴特
P提示35= 4.2V × 3A = 12.6W

应使用能够处理 15W 或更高的散热器，以包含合理的安全裕度。在测试该电路时，我们使用0.1厘米×10厘米×18.5厘米的铜片来散热器TIP35。

多个400mΩ 1W电阻并联用于100mΩ输入检测电阻。虽然在图中不容易看出，但已使用多个过孔将顶层的 BATT 焊盘连接到底层，从而增加了 BATT 平面的面积。导热膏已被用于增强从晶体管到散热器的热传递。

迹线厚度

大功率电路板设计的一个重要方面是组件之间连接的厚度.像电线一样， PCB铜走线具有电阻， 走线厚度可能是影响大功率电路板性能的一个非常重要的因素.当今的许多高功率电子电路都需要铜厚度额定值为 2oz 或更高的 PCB，然后电路板才能提供全部输出功率并消散向负载供电时产生的多余热量.设计人员通常希望PCB制造厂以正确的铜厚度构建PCB.然而， 如果PCB制造过程没有得到很好的控制， PCB最终的铜厚度可能会低于规定.当电路没有按预期运行时，可能需要许多漫长而令人沮丧的小时才能追踪到由比预期更细的铜线引起的问题。

Maxim工程师开发了一种快速简便的方法，用于在组装前验证PCB铜厚度。这有助于通过减少故障排除时间、防止不必要的浪费和避免生产线上的任何停机时间来降低成本。

铜厚度通常以“盎司每平方英尺”（平方英尺）为单位，因此称为“铜重量”。为了确定PCB铜的重量，可以在PCB上方便的位置添加预定长度和宽度的试纸。接下来，测量该试纸的电阻。由于试纸的电阻太小，无法用普通欧姆表检测到，因此通过试纸传递一个小的恒定电流并测量试纸两端的电压。该电压与试纸上的电阻成正比。最后，将试纸上的测量电压转换为铜重量。

只需一个低成本的恒流源、电压表和一个 5W 电阻即可进行测量。这种测试设置可以很容易地复制用于样品测试、多条生产线上的小批量生产测试，或者在进货检验时分拣出铜层比所需薄的 PCB。它将最大限度地减少使用不合格电路板的机会。

让我们看看它是如何工作的：包括一个 50 密耳宽的试纸，并包含两个过孔（试纸两端一个），间隔 2000 密耳（中心到中心），作为 PCB 制造过程的一部分。通过50mA电流通过试纸。这可以通过在试纸上串联一个 ~5V 直流电源、一个电流表和一个 100Ω （5W） 电阻来完成（图 4）。调整 ~5V 直流电源，直到电流表读数正好为 50mA。测量试纸上的电压（以毫伏为单位）。由于试纸两端的电压非常小，请确保所有连接都接触良好。

图4.2000 mil × 50 mil 铜重量测试条设置和连接。

使用以下公式将试纸两端的电压转换为铜重量：

CuWt = 0.978/(VSTRIP)

其中 VSTRIP 是测试条两端的电压，以毫伏为单位，CuWt 是测试条的铜重量，以 [oz/sqft] 为单位

例如，测量承载50mA电流的2000mil×50mil试纸，我们测量尖端两端0.489mV的电压。使用 CuWt 方程， 很明显，这条带的铜重量为 2oz.

审核编辑：郭婷