如何在大电流PCB设计中实现卓越

设计任何PCB都具有挑战性，尤其是随着设备变得越来越小。高电流PCB设计甚至更加复杂，因为它具有所有相同的障碍，还需要额外考虑一系列独特的因素。

专家预测，对高功率设备的需求可能会上升工业物联网实现两位数的年增长率到2030年。以下是针对这一趋势优化大电流电子产品中PCB设计的七个步骤。

1.确保足够的走线尺寸

走线尺寸是高电流PCB最重要的设计考虑因素之一。铜走线已经趋向于小型化，以实现更紧凑的设计，但这在更高的电流下不起作用。较小的横截面会通过散热导致功率损耗，因此需要适当大的走线尺寸。

您可以通过调整两个因素来改变走线横截面积:走线的宽度和铜的厚度。平衡这两者是降低功耗和保持理想PCB尺寸的关键。

使用PCB走线宽度计算器了解哪些宽度和厚度支持您的设备所需的电流类型。使用这些工具时，请谨慎设计走线尺寸，以支持比您认为需要的更高的电流。

2.重新考虑元件放置

元件布局是高电流PCB设计的另一个关键考虑因素。MOSFETs和类似元件会产生大量热量，因此尽可能将它们与其他高热或温度敏感点隔开很重要。当处理缩小的外形尺寸时，这并不总是容易的。

放大器和转换器应该与MOSFETs和其他发热元件保持适当的距离。虽然在边缘保持高功率区域可能很诱人，但这并不允许均匀的温度分布。取而代之的是，将它们直线放置在整个板上以保持能量，从而使热量更加均匀。

通过首先接近最有影响力的区域，更容易确定理想的组件。首先，确定高温组件的理想放置位置。一旦你知道把它们放在哪里，你就可以用剩下的来填补空白。

3.优化散热管理

同样，高电流PCB也需要谨慎对待热管理。对于大多数应用来说，这意味着保持内部温度低于130摄氏度FR4层压板的玻璃化转变温度。优化组件放置将有所帮助，但您的热量最小化步骤必须不止于此。

自然对流冷却对于较小的消费电子设备PCB可能就足够了，但对于功率较高的应用可能就不够了。机械散热器可能是必要的。MOSFETs周围的风扇或液体冷却系统等主动冷却也有所帮助。然而，一些设备设计可能不够大，无法容纳传统散热器或主动冷却。

对于较小但高性能的PCB而言，散热通孔是一种有用的替代方案。浇注的带有一系列孔的高导电性金属将在热量到达更敏感的区域之前从MOSFETs或类似组件带走热量。

4.使用合适的材料

当优化热管理并确保组件能够承受更高的电流时，材料选择将大有裨益。这适用于PCB的组件和基板。

虽然FR4是最常见的基板，但它并不总是高电流PCB设计的最佳选择。金属芯PCB可能是理想的选择，因为它们可以平衡FR4等基板的绝缘和成本效益以及高导电性金属的强度和温度位移。或者，一些制造商生产特殊耐热层压板，您可以考虑。

同样，您应该只使用具有高热阻值的组件。有时，这意味着选择更耐热的材料，而在其他情况下，这意味着使用相同材料的更厚组件。哪种选择最好取决于您的PCB尺寸、预算和可用的供应商。

5.完善质量控制流程

高电流PCB的可靠性也是一个在生产中发现错误的问题。如果制造过程不能发现并解决抵消其优势的缺陷，那么上述四种设计选择不会产生太大的改进。原型迭代更可靠的质量检查同样重要。

使用正确的工具来评估PCB的质量是该领域最重要的考虑因素之一。数字光学比较仪作为模板和覆盖物优于传统方法随着时间的推移伸展和扭曲，阻碍了它们的可靠性。您还应该考虑易于自动化的工具，以最小化人为错误的风险。

不管您使用的具体方法和技术如何，跟踪所有缺陷都是至关重要的。随着时间的推移，这些数据可以揭示问题出现的趋势，从而提供更可靠的PCB设计更改。

6.可制造性设计

在高电流PCB设计中，一个类似但经常被忽视的因素是确保易于制造。如果生产错误如此普遍，以至于设备很少符合纸上的规格，那么理论上PCB有多可靠也没用。

解决方案是尽可能避免过于复杂或错综复杂的设计。在设计高电流PCB时，请牢记您的制造工艺，考虑这些工作流程可能会如何生产它们以及可能会出现什么问题。你越容易制造出没有错误的产品，它们就越可靠。

这一步需要与生产方利益攸关方密切合作。如果您不在内部处理制造，请让您的生产合作伙伴参与设计阶段，获取他们对潜在可制造性问题的意见。

7.将技术用于你的优势

新的规划和生产技术可以使平衡这些考虑更加容易。3D打印引入更多设计灵活性支持更复杂的PCB布局，而不会出现生产错误。它的精度还可以让您确保铜走线遵循曲线而不是直角，以减少其长度并最大限度地降低功耗。

人工智能是另一项值得研究的技术。AI PCB工具可以自动放置元件或突出潜在的设计问题，以防止错误在现实世界中出现。类似的解决方案可以模拟不同的测试环境，以在生产物理原型之前评估PCB的性能。

制造阶段的自动化也有类似的好处。Marelli Holdings旗下的一家斯洛伐克PCB生产厂装配速度提高了25%并通过在芯片制造中引入协作机器人来最大限度地减少操作失误。

高电流PCB设计需要谨慎

设计可靠的大电流PCB并不容易，但也并非不可能。遵循这七个步骤将帮助您优化设计流程，以创建更有效的高功率器件。

随着工业物联网的发展，这些考虑因素将变得更加重要。现在拥抱它们将是未来持续成功的关键。