如何实现卓越的大电流 PCB 设计

设计任何 PCB 都具有挑战性，尤其是当设备越来越小的时候。大电流 PCB 设计甚至更加复杂，因为它不仅面临同样的障碍，而且还需要考虑一系列独特的因素。

专家预测，到 2030 年，工业物联网的年增长率将达到两位数，对高功率设备的需求可能会上升。为了应对这一趋势，以下是优化大电流电子产品 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。铜走线趋向于微型化，以实现更紧凑的设计，但这在较高电流下行不通。较小的横截面积会导致通过散热造成功率损失，因此您需要适当较大的走线尺寸。

您可以通过调整两个因素来改变走线的横截面积：走线的宽度和铜的厚度。平衡这两个因素是减少功率损耗和保持理想 PCB 尺寸的关键。

使用PCB 走线宽度计算器来查找哪些宽度和厚度可以支持设备所需的电流类型。使用这些工具时，请谨慎行事，并设计走线尺寸以支持比您认为需要的更高的电流。

2. 重新考虑组件的放置

元件布局是高电流 PCB 设计中另一个重要的考虑因素。MOSFET 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非常重要。在处理不断缩小的外形尺寸时，这并不总是容易做到的。

放大器和转换器应与 MOSFET 和其他发热元件保持适当的距离。虽然将高功率区域放在边缘可能很诱人，但这样无法实现均匀的温度分布。相反，应将它们线性地放置在电路板上，以保持能量和热量更均匀。

通过首先处理影响最大的区域，可以更轻松地确定理想的组件。首先确定高热组件的理想位置。一旦您知道将这些组件放在哪里，您就可以用其余组件填补空白。

3.优化热管理

同样，大电流 PCB 也需要特别注意热管理。对于大多数应用来说，这意味着将内部温度保持在 130 摄氏度以下——这是 FR4 层压板的玻璃化转变温度。优化元件布局会有所帮助，但您的散热措施必须更进一步。

自然对流冷却可能足以满足小型消费设备 PCB 的要求，但对于高功率应用则不然。机械散热器可能是必要的。诸如风扇或 MOSFET 周围的液体冷却系统之类的主动冷却也可以提供帮助。但是，某些设备设计可能不够大，无法容纳传统的散热器或主动冷却。

对于尺寸较小但功率较高的 PCB，热通孔是一种不错的选择。浇注的高导热性金属具有一系列孔，可防止热量从 MOSFET 或类似元件传出，避免热量到达更敏感的区域。

4. 使用适当的材料

在优化热管理和确保组件能够承受更高电流时，材料选择将发挥重要作用。这适用于您的 PCB 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，因为它们平衡了 FR4 等基板的绝缘性和成本效益以及高导电性金属的强度和温度位移。或者，一些制造商生产您可以考虑的专用耐热层压板。

同样，您只应使用热阻值较高的组件。有时，这意味着选择更耐热的材料，而在其他情况下，则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

大电流 PCB 的可靠性还与生产过程中发现错误有关。如果制造过程不能发现并解决抵消其优势的缺陷，上述四种设计选择将不会带来太大的改进。对原型迭代进行更可靠的质量检查同样重要。

使用正确的工具来评估 PCB 的质量是这一领域最重要的考虑因素之一。数字光学比较器比传统方法更可取，因为模板和覆盖层会随着时间的推移而拉伸和扭曲，从而影响其可靠性。您还应考虑使用易于自动化的工具，以最大限度地降低人为错误的风险。

无论您使用哪种具体方法和技术，跟踪所有缺陷都至关重要。随着时间的推移，这些数据可以揭示问题出现的趋势，从而为更可靠的 PCB 设计变更提供信息。

6.可制造性设计

高电流 PCB 设计中一个类似且经常被忽视的因素是确保易于制造。如果生产错误如此常见，以至于设备很少达到纸面上的规格，那么 PCB 理论上的可靠性就毫无意义了。

解决方案是尽可能避免过于复杂或错综复杂的设计。在设计大电流 PCB 时，请牢记制造流程，考虑这些工作流程如何生产它们以及可能出现哪些问题。制造过程越简单，越不出错，它们就越可靠。

此步骤需要与生产方利益相关者密切合作。如果您不自行处理制造，请让您的生产合作伙伴参与设计阶段，并就潜在的可制造性问题征求他们的意见。

7. 利用技术为自己谋利

新的规划和生产技术可以使平衡这些考虑变得更容易。3D 打印带来了更多的设计灵活性，可以实现更复杂的 PCB 布局，而不会出现生产错误的风险。它的精度还可以让你确保铜线沿着曲线而不是直角走，以减少其长度并最大限度地降低功率损耗。

人工智能是另一项值得研究的技术。人工智能 PCB 工具可以自动放置组件或突出显示潜在的设计问题，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 生产厂通过在芯片制造中引入协作机器人，将其装配速度提高了 25% ，并最大限度地减少了操作错误。

大电流 PCB 设计需要格外注意

设计可靠的大电流 PCB 并不容易，但并非不可能。遵循这七个步骤将帮助您优化设计流程，以创建更有效的大功率设备。

随着工业物联网的发展，这些考虑将变得更加重要。现在接受它们将是未来持续成功的关键。