PCB布局布线技巧之功率回路

 

一、布线布局和散热问题

功率电路通常包括控制电路、驱动电路和功率输出三部分。其中功率输出部分通常采用开光工作方式，这种工作方式会发生大电压和大电流的突变，其可通过电源和信号线对相连接的电路产生干扰，也就是传导干扰；以及对周围环境产生较强的电磁辐射。而控制电路则时小功率电路，其抗干扰性较差，对噪声敏感。噪声的干扰可能影响其电路的性能甚至导致无法正常运行。传导干扰可通过电源隔离、滤波等方法来抑制干扰，而辐射造成的干扰则只能通过合理的布局布线以及增加屏蔽以削弱电磁辐射对空间造成的影响。如上所述，控制电路属于小功率电路，而功率输出则属于大功率电路。强弱电隔离不当可能会发生短路甚至烧坏PCB，因此布局布线时应当注意强弱电之间的导线间距是否符合规范。发热问题则主要是功率器件本身的开关损耗等因素引起的。因此必要时需要采取散热手段，如加装散热片或散热器，以保证器件的连续稳定的工作。所以合理的电路设计也必须辅以合理的布线布局以保证电路的正常运行。叠层结构同样很重要，以常用的四层板为例，通常四层板的叠层结构为：SIG－GND(PWR)－PWR (GND)－SIG；GND－SIG(PWR)－SIG(PWR)－GND。下图为立创EDA和Allegro叠层管理器页面：

对于以上两种叠层设计，潜在的问题是对于传统的1.6mm（62mil）板厚。层间距将会变得很大，不仅不利于控制阻抗，层间耦合及屏蔽；特别是电源地层之间间距很大，降低了板电容，不利于滤除噪声。对于第一种叠层结构，通常应用于板上芯片较多的情况。这种叠层结构可得到较好的电气和信号完整性性能，对于EMI性能来说并不是很好，主要要通过走线及其他细节来控制。主要注意：地层放在信号最密集的信号层的相连层，有利于吸收和抑制辐射；增大板面积，体现20H原则。所谓“20H原则”是指电源层相对地层内缩20H的距离，当然也是为抑制边缘辐射效应。在板的边缘会向外辐射电磁干扰。将电源层内缩，使得电场只在接地层的范围内传导。对于第二叠层结构，通常应用于板上芯片密度足够低和芯片周围有足够面积(放置所要求的电源覆铜层)的场合。此种PCB的外层均为地层，中间两层均为信号/电源层。信号层上的电源用宽线走线，这可使电源电流的路径阻抗低，且信号微带路径的阻抗也低，也可通过外层地屏蔽内层信号辐射。更多层的叠层也有很多讲究，本次则不再详细说明了。

二、设计PCB线宽、过孔与电压、电流关系

在了解PCB设计铜铂厚度、线宽和电流关系之前先让我们了解一下PCB 敷铜厚度的单位盎司、英寸和毫米之间的换算：在很多数据表中，PCB 的敷铜厚度常常用盎司做单位，它与英寸和毫米的转换关系如下：1 盎司 = 0.0014 英寸 = 0.0356 毫米（mm）=35um2 盎司 = 0.0028 英寸 = 0.0712 毫米（mm）盎司是重量单位，之所以可以转化为长度单位毫米是因为pcb的敷铜厚度是盎司/平方英寸。1oz代表PCB的铜箔厚度约为36um，它来源于把1oz重的8.9g/cm^3密度的纯铜平铺到1平方英尺（=144inches）的面积上所形成的厚度。一平方英尺 = 0.0929平方米 一英寸 = 0.0254米 一英尺 = 12英寸 = 0.3048米

PCB设计铜铂厚度、线宽和电流关系表如下所示：

其中，上表数据均为温度在25℃下的线路电流承载值。

过孔与载流能力如下表所示：

导线阻抗：0.0005×L/W(线长/线宽)电流承载值与线路上元器件数量/焊盘以及过孔都直接关系以上数据都可作为PCB布线时的参考数据使用。