PCB铜走线–正确管理焊盘，走线和平面

在高负载应用中如何管理铜垫，铜走线和平面？

在今天的世界中，包含低功耗闪烁LED（用于状态指示之类）的PCB设计在世界上很普遍，但是如果该LED需要超过10安培的电流怎么办？还是20安培呢？或者如果驱动它所需的电压超过100V怎么办？在什么时候负载被认为是高电压或高电流，这对PCB设计过程意味着什么？在为此类情况指定组件和布局PCB时，必须考虑几个因素，所以让我们直接进入。

PCB铜走线，铜垫和铜平面中的高电流

电流是通过铜走线和平面传输的，这是非常常识。但是，这些走线和平面具有与之相关的电阻，并且取决于电流量，可能会对电路板的性能产生负面影响，在某些情况下，甚至会损坏电路板和组件。在极端条件下，如果板出现故障，甚至机器及其操作员都可能面临危险。

PCB走线越长和越窄，走线的电阻就越高，从而导致两个信号端点之间的压降更大。当承载大量电流时，走线或平面也会发热，这可能会影响附近的敏感元件，同时也使铜的完整性受到威胁。

在提供可靠，安全的设计的同时管理大电流应用的最佳方法是什么？

相关文章“ PCB设计中PCB迹线宽度的重要性”提供了在各种应用中使用的迹线宽度，长度和样式的高级视图。部分之一介绍了如何计算PCB走线宽度并用于优化压降。此处适用相同的计算。如果设计人员可以进行相应的计划并使用应用程序的电流要求来驱动给定走线长度的最小走线宽度，那么就可以对压降进行量化并放心地布置。它有助于了解哪些PCB特性会影响这些值以及如何在设计中更改它们。当走线的电流超出宽度或面积的实际值时，可以使用其他策略来最大化铜。

默认情况下，典型的铜重量设置为1盎司（或140密耳厚度），但是通常可以在给定层上增加该铜厚度。外层的铜重量可能高达15盎司（或21密耳）。这不仅会增加整体PCB的厚度，重量和制造成本，而且由于蚀刻工艺的原因，还需要在焊盘和组件之间留出更大的间距，因此在选择较厚的铜重量时必须考虑平衡点。

可以拉动另一个杠杆以增加给定功率信号的铜量的另一种方法是将走线或平面分布在多个层上，并通过称为过缝的技术将它们绑在一起。通孔缝合在通信设备中很常见，在通信设备中，屏蔽和噪声/串扰抑制非常重要，但它也有助于进行热管理并降低走线的整体电阻。这对于在外壳上包含散热垫的功率组件非常常见，有助于降低焊盘到焊盘结点的温度。

相同的想法可以应用于电源平面或走线，可以在多层上镜像并与多个过孔绑在一起，如图1所示。请记住，过孔本身就像微电阻一样，因此请确保过孔的直径将各层连接在一起的大小不能太小，并确保有足够的通孔来帮助传递热量。

 

PCB中要考虑的热性能：铜走线，铜垫和铜平面

尽管可以使用某些PCB设计策略来管理PCB的热性能，但与PCB供应商合作并选择合适的板层堆叠也可以大大降低大电流产生的板温度。选择会降低热膨胀系数（CTE）的叠层材料可以限制PCB在加热或冷却时的膨胀和收缩，这将提高PCB的耐用性并有助于最大程度地减少结构故障。对于电流较高且温度难以控制的应用，填充铝，铜或其他特殊金属的金属芯PCB可以帮助将热量散布到整个PCB上

某些PCB设计软件（例如Altium Designer）可以可视化显示热分布。如果您拥有可用的工具，则其中的某些功能可以非常有效地提供潜在热点及其管理方式的快照。图2显示了Altium的PDN分析仪工具，直观地展示了整个PCB的热量分布。

除了最大化给定信号的铜面积之外，还可以采用其他非PCB冷却技术，例如散热器（被动冷却）或增加气流（主动冷却）。散热器通常与需要额外功耗的组件一起使用，但也可以与导热膏一起安装到裸露的铜走线或平面上，以实现最佳的热传递。气流通常是理想的，虽然它可能很复杂且实现成本更高，但通常值得付出努力。

最后，在高电流应用无法保护硬件和附近操作员的情况下，结合故障安全电路和冗余始终是最佳实践。软启动电路，过流保护和保险丝，电流监控器和调节器，继电器和互锁以及一般浪涌保护是在发生故障时可用于监视，保护和断开负载的组件示例。在PCB供应商处进行的模拟负载功能测试也可以帮助防止正常使用期间的故障和不安全状况。

PCB铜走线，铜垫和铜平面中的高压

高电压设计与高电流应用有很大不同，并且可能会更加棘手。首先，AC领域中的高压被认为超过1000V，但对于DC电压则要低得多。根据美国职业安全与健康管理局（OSHA）的规定，任何等于或高于50V的电压均会对AC和DC应用产生危害。而且，请不要忘记，交流电压包含均方根（RMS）参数，当计算峰值时，其峰值将高出1.4倍左右。在设计用于更高电压的应用时，必须考虑许多因素，例如裸露的触点和铜之间的间隙，以防止产生电弧，绝缘的布线或电缆，并确保在电路板叠层中选择正确的材料（基板和层压板）。

首先，让我们看看最重要的一个：间隙。

对高压PCB设计，UL60950-1（美国），CSA22.3（加拿大）或任何其他有关高压设计要求的适用标准进行审查和理解是必不可少的。这包括有关两个电路（或触点）之间的最小间隙和爬电距离的信息。由于电压是电势差，因此电子产品将希望找到一种方法，从高电势过渡到低电势，即使这意味着“跨越空气间隙”。通常将其称为电弧放电，这是一种危险事件，可能会损坏电路板并引起火灾。

爬电距离是什么意思？与两点之间的电气间隙有何不同？

PCB上的间隙定义为两条导体之间通过空气的最小直接距离，而爬电距离是指沿着PCB表面的导体之间的距离的长度。并且，如图3所示，这些距离的最小值由工作电压确定。峰值直流电压将确定电气间隙，而交流电压的RMS值将确定爬电距离。

满足这些最小间隙和爬电距离值并不总是容易的，但是一些策略包括在PCB的两侧放置组件以最大程度地增大两个铜表面之间的距离，以及使用各种厚度的绝缘材料来最大化爬电距离。

保形涂层是高压电路中的一种常见做法，是在PCB表面上施加不导电的绝缘材料。除了帮助预防电弧和高压外，它还增加了其他一些好处，例如热，结构和环境保护。IPC-A-610是这些涂料参考的典型标准，但根据应用情况，可以应用更严格的标准。

而且，在配置电路板的叠层时，根据功率要求，考虑远离非常常用的FR-4基板材料可能很有用。聚四氟乙烯（PTFE）和聚酰亚胺基材的额定温度更高，通常为高压应用提供更多支持。另外，预浸料（预浸树脂的玻璃纤维将PCB中的每一层保持在一起）也采用了更高额定值的材料和玻璃样式，例如1080或2113。与您的PCB供应商合作，看看有哪些选择可用于更高电压和功率的材料。

确保测试高电位表面

您可以在制造过程中提供的最佳保险政策之一就是进行测试，以确保PCB在高电势表面之间具有良好的隔离和间距。该测试通常称为耐压测试或介电测试。与连续性测试相反，它检查电压水平升高时，没有任何电流从任何两个未连接的导体中流出。在生产过程中执行该测试将有助于清除掉那些含有缺陷的电路板，并有助于最大程度地减少现场故障（和不安全条件），同时提高PCB的整体可靠性。

在高负载应用中管理铜焊盘，铜走线和铜平面的摘要

在高负载应用中管理铜垫，铜走线和铜平面的最佳方法是测试并监视以下各项：

l  大电流

l  热性能

l  高压

l  爬电

l  高潜力

如果考虑到以上几个方面，您将可以很好地进行测试，并确保新PCB具有在高负载应用中正常运行所需的一切。