电力电子课程第 4 部分： PCB设计

通常，设计人员只关注电源组件和最大化使用能量的最佳技术。但是他们忘记了研究最好的 PCB 解决方案及其相关的最佳电子元件布置。最近，项目已经基于采用能够承受大工作功率的高度集成的组件。高电流和电压的管理需要非常复杂的技术挑战。印刷电路板是热量必须通过的第一个障碍，它们需要以最佳方式进行设计。

设计人员必须考虑各个方面，例如，轨道的最佳位置、最佳间距，最重要的是，它们在以最佳方式运行的同时承受高电流的能力。第一个基本规则涉及以初步的方式突出显示，最大功率路径以及将填充它们的功率组件。事实上，轨道会受到高温的影响，并且由于铜的高导电性和导热性，高温很容易侵入电路的所有区域。为了使走线的计算和分析复杂化，还有其他参数，例如 PCB 使用的材料、设计周围的环境温度、板上组件的密度以及使用的冷却技术. 元器件的定位也决定了大功率电路的成败。在特别关键的热条件下工作的那些必须均匀分布在电路上以改善热管理。设计师必须特别注意轨道的路径。必须考虑与电流和温度升高相关的斜坡的最小宽度。如果可能的话，与技术上可能的最小宽度相比，稍微增加轨道的宽度总是更好。走线的计算不仅涉及其宽度，还涉及铜的厚度。具有较大铜厚度的集管允许在相同条件下减小它们的宽度。下表(见图表 具有较大铜厚度的集管允许在相同条件下减小它们的宽度。下表(见图表 具有较大铜厚度的集管允许在相同条件下减小它们的宽度。下表(见图表图 2)显示了印刷电路走线的最小宽度，知道必须通过它的电流。同一张表是指铜厚为 35 微米的 PCB，最大期望温升为 10°C。

图 2：该图显示了与传输中电流相关的走线宽度

显然，对于 10 A 以上的电流，采用其他方法比使用简单的 PCB 更方便。设计师可以使用的一个方便的公式，记住采用 35 微米的铜厚度，如下所示：

在图 3中，我们可以观察到与 USB 随身碟相比，PCB 走线的各种宽度的一些表示。该图还显示了最常见电缆的直径，以及它们支持的电流。

图 3：不同尺寸的 PCB 轨道和电缆

另一方面，图 4显示了由不同宽度的铜迹线形成的假设 PCB 的模拟。它们通过相同的电流值，尽管受到相同的对流冷却，但它们的工作温度不同。简而言之，可以看出，较宽的轨道保持较冷，传输和对流冷却的电流相同。

图 4：当流过相同数量的电流时，PCB 中铜迹线的不同行为。

首先是电源转换效率。转换效率是指电源的输出功率与实际消耗的输入功率之比，在实际应用中，电能不能完全转化，中间会有一定的能量消耗，所以，无论哪种电路，在电源转换中必然存在效率问题。对于线性电源，需要考虑 LDO 的散热问题;对于开关电源，要考虑开关管的损耗问题。

其次，有能量损耗就必然会产生热量，这就涉及到散热的问题。除此之外，随着负载变重，促使电源芯片的功耗加大，所以，在电源设计中热分布是个不得不考虑的问题。

再者是电源平面完整性设计。保持电源的完整性，就是保持电源的稳定供电。在实际系统中，总是存在不同频率的噪声。比如 PWM 的固有频率或 PFM 可变频率控制信号，快速的 di/dt 会产生电流波动的信号，所以一个低阻抗的电源平面设计是必要的。

最后是 EMI(电磁干扰)问题。开关电源在不断的开和关就会产生开关噪声，如果在设计过程中没有考虑回路电感问题，过大的回流路径会产生 EMI 问题。

结论

在电源电路的计算和分析中，通常会忽略电缆和 PCB。

设计师应该特别注意它们，因为有效的设计有助于避免许多没有扎实的初步准备就无法解决的问题。