高功率PCB设计提示和技巧

通过凯尔猎人 1年前 没有评论
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在研究我的YouTube视频系列时,我有许多问题和要求在高功率的高通量进行详细的设计考虑印刷电路板(PCB)。在我的职业生涯中,我参与过几个项目高电源LED和电机驱动板。在24伏直流电供电的情况下,功率最大的电能峰值约为1000瓦。当研究这个项目时,网上没有任何信息讨论这种类型的板的适当做法。更有甚者,一些消息来源建议30A根本不应该通过PCB !

与本文的目标是讨论我从这些项目中学到的一些方法,并希望为任何希望设计一个可以通过标准PCB连续提供电路板的板的设计师提供良好的起点。

高功率原理图示例

作为一个例子,我将设计一个基于Atmega328单片机的高性能PCB。该板将控制两个直流电机与集成的h桥驱动器。由于h桥也可以驱动几乎任何电感/电阻负载,它也可以驱动高电流的LED面板。它将被指定从每个输出驱动15A的负载,总共为30A。在这个示例中,我将使用KiCad 5.0.2。

原理图用于大功率PCB的例子

图1:示例示意图

图1中的示意图利用了两个VNH5019Ah桥驱动集成。它们可以连续驱动30A的电流。Atmega328将控制驱动程序的逻辑,一个单一的12伏直流电源将为主板供电。在开关调节器的下降将提供5伏直流电供应的ATmega。除了Ina/b线之外,VNH已拉出所有逻辑,Ina/b线为电机提供旋转方向。如果需要更多的控制,你可以控制ENa/b针的ATmega。

VNH能够处理大部分反激保护,只需要1000uF的电解电容器。有关保护电路免受电感负载的更多信息,请查看我的文章:h桥电路基础知识。我会使用74651195 r85A螺杆端子主要为12VDC电源输入,和两个179222930A用于电动机输出的卡扣端子块。

有一个30A的输入保险丝,以及每个VNH驱动器的15A熔丝。向驾驶员熔断器是在驾驶员之前驾驶员可以提供30A的驾驶员,熔丝应该在过载驱动程序之前吹。这确保了当熔丝熔断器自驾驶员根本没有动力时,两侧被切断。另一种选择是熔断H-Bridge驱动程序的两个输出,但这可能仍然可以在短时间内留下一个侧面。

大电流PCB设计

安全考虑因素

与任何电路一样,高电流电路的首要问题是确保其安全运行。有一些潜在的问题,是独特的板驱动器如此高的功率负载。主要的危险是高温。无论你如何设计和布局的板,更多的热量产生比标准板。在制造外壳时,必须始终考虑到这一点,并且应该使用外部通风口/风扇。我做的一些事所有驱动超过几个安培的设计,是在PCB上有一个专用的温度传感器。这是一个伟大的基于固件的故障安全。有了监控温度的能力,你就应该总是能够对任何过热的情况做出反应。为了减少电路板本身产生的热量,最好选择低电阻的部件。

下一个安全隐患是关于短路的。由于电路板被设计用来驱动高功率器件,当短路时,它将能够提供相当数量的电流。在设计阶段考虑这种可能性是至关重要的。处理短路最简单的方法就是打开保险丝所有离开电路板的输出和输入保险丝。保险丝应始终额定电流较少,而不是使用的电线可以处理。它们还应被评为较少/等于电流迹线/倒的电流量。使用内置的驾驶员内置的驱动程序内置的驱动程序也是一个很好的想法。

得到一个足球

在规划高功率电路时,在运行第一个trace之前,有必要对其布局有一个高层次的了解。这对于任何板的设计都是很重要的,对于这些板尤其重要。虽然没有必要,我通常喜欢打破板像这样的低功率和高功率部分。这确保了所有的高功率跟踪都尽可能接近电源和输出。这个板将是2层,2盎司铜。

在进行高当前PCB的同时学到的东西,现在在我的所有设计中做到了,是在一切中使用8密耳的痕迹进行粗略的初始布局,以确保组件的放置以优化的方式。这对这个例子非常有帮助,因为它显示了高电流路径的位置,以及如何最好地定位H桥司机。

用于显示将使用主高功率网的示例迹线

图2:粗略的板布局与8万痕迹。

图2显示了所有组件的初始放置,以及8密耳的迹线指定将路由所有最终迹线的路径都被路由。电源将来自底部终端,头部到输入保险丝,分支到H桥驱动器,低电流电源将向下将电路板的中心上升到5V稳压器。

对于h桥驱动器,电力将通过底层的大型电解电容器到达,通过许多拼接孔连接顶层和垫层。

跟踪宽度计算器

在设计任何电路板时,你需要了解最小迹宽。这在处理高功率pcb时变得至关重要。我对特定的计算器没有偏好,因为它们都(应该)基于相同的IPC-2221公式。这个板有两个主要的大电流网,我们将使用计算器。第一个是主要的30A供应,从PSU到保险丝,然后分支出去。使用计算器在25摄氏度的温度上升,我们需要的最小宽度为370米。第二个电源是15A,从保险丝到电容器,然后到驱动器。驱动器输出额定为相同的15A电源。计算器推荐的迹宽为142mils。

在设计板时,这些值是应使用的绝对最小宽度。

铜倒是你的朋友

不管我设计的是什么类型的板,我总是尝试用铜倒在所有的电网上。在处理专用的高电流设计时,所有携带高功率的网都应该是倾的。铜的浇注允许大幅度增加铜的宽度,以适应板。

铜注入所有高电流pcb网

图3:在所有大电流网上使用铜浇注的布局。

图3显示了使用铜倒在所有高电流网上的电路板的高电流部分。用倾倒而不是痕迹,我能够通过大量扩展铜的量。我用来帮助设计更快的技巧,是使用20mil网格并使用它来确保所有浇注都以45度角度进行对称性。

加倍层

我已经使用的一种技术与许多高动力电路一起使用,即我未能看到的通常是具有双层铜倒,并将它们与通孔一起缝合在一起。该双层允许两倍于同一区域内的铜量。对于此板,我将铜加倍从终端输入的初级电源到输入保险丝。图4显示了这一点。使用此技术时,创建当前环路的可能性增加,因为您有一个没有返回电流可以流过的部分。我不会相信从输入熔断器到F3 / F4上的网络上的两个层,因为这是大量返回电流将流动的地方。

显示为高功率网的双层添加

图4:放大的双层为一次电源输入

这种降雨的最小宽度是460米,但由于它是在顶部和底部的层,实际宽度是两倍,允许一个更小的电压降通过网络。电压降越小,所产生的热量就越少。

那么散热系统呢

在讨论高功率PCB设计中的散热问题时,总会有一些分歧。使用热芯的目的是在焊接时防止热渗到周围的铜。他们在这方面做得很好。这样做的代价是用于电流流动的铜减少了。对于标准的pcb,这往往是一个小问题,热的好处远远超过缺点。所有的高功率PCB设计我已经完成,我们已经手工焊接他们内部使用一个高功率白光fx - 801铁。它即使在2盎司铜上也可以快速工作。我倾向于在所有非电网上使用热量,并在电力网上的固体连接。

热释压在非功率痕迹上使用

图5:填充的平面显示出热浮雕

图5显示了我放置散热片的位置。主输入电源、熔断器和输出电源不使用热元件,其他电源网均使用热元件。这种技术在许多设计中都很有效,生产了数百块电路板。我们从来没有遇到过焊接件松脱的问题,也没有遇到过与冷焊点相关的任何问题。

结论

希望这篇文章能够以高功率电路实现的适当技术和技巧来阐明一些光线。虽然在这些板上工作时有许多细微差别,但只要遵循一些基本的“规则”,它们并不比标准板设计更复杂。主键是始终保持安全的安全性,从一开始就具有实心的计划,使用尽可能多的铜,并始终用计算器检查跟踪宽度。

在Microotype Engineering的情况下,我们拥有多年的高功率原理图捕获和PCB布局的经验。联系我们看看我们可以如何帮助您的下一个设计!

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