基础电路设计(11)高功率电路板设计技术探索

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1、·基础电路设计（十一）高功率电路板设计技术探索来源：中国PCB技术网    作者：高弘毅    发布时间：2007-06-1504:25:28    评论(0条)·安全性与不会妨害其它电子设备是设计高功率印刷电路板首要重点，所谓安全性包含电路无燃烧与触电之虞，此外在相同筐体内不会造成其它电路误动作，或是妨害其它电子设备的正常动作，也是必需注意的基本要项。有关安全性与对其它电子设备的干扰问题，事实上UL规范与EMC规范都有详细的规定，为了符合UL与EMC的规范因此设计印刷电路板时，必需充分掌握安全规范的各项细节，尤其是噪讯(noise)造成的电路误动作，造成事后对策非常频

2、繁的场合，往往是设计印刷pattern时未作事前检讨所致。如果电路设计与印刷pattern设计分属不同单位时，电路设计者必需与印刷pattern设计者作充分的事前沟通。根据以往的经验显示pattern设计者一昧依循常识，解读未作详细说明的项目时，经常会招致严重的设计挫败。有鉴于此本文要深入探讨有关高功率印刷电路板的设计技巧。 高功率印刷电路板的十大基本设计要领避免拉伸pattern，尽量削减多余铜箔削减多余铜箔一般认为所谓的pattern设计，直觉上祇是单纯的patternlayout，然而设计高功率印刷电路板的pattern并非单纯的patternlayout，当电压

3、施加于电路时，电路板板上的各pattern之间的间隔设计，亦即如何削减多余铜箔才是设计高功率印刷电路板的主要技巧。降低pattern阻抗为何不铺设pattern主要目的是要降低pattern阻抗(impedance)，由于削减多余铜箔可使pattern幅宽变粗，铜箔面积变大直流阻抗变小。此外围绕pattern的面积变小，相对的pattern的阻抗(impedance)变小，整体而言阻抗可大幅减少。采用粗短pattern的设计若与小信号的数字电路比较时，由于高功率印刷电路是以高电压大电流为对象，所以必需充分掌握电路电流的特性，才能决定pattern的幅宽。根据电流实效值计

4、算pattern的幅宽根据以往的经验显示pattern的幅宽每1mm的容许电流约为1A左右，不过必需注意的是上述经验值征适用于电流变化较少的直流电源，类似switching电源等电流变化与峰值电流极大的电路，若直接使用上述经验值就会造成误动作与效率降低等严重后果。由于switching电源的电流呈断续性流入电路，所以电流的实效值会比平均值大，此时必需使用电流的实效值才能决定pattern的幅宽。如图1所示的电流波形实效值IRMS[ARMS]，根据式(1)计算结果为0.5ARMS，也就是说pattern的幅宽必需大于0.5mm。Ip:峰值电流[A]。ton:ON的时间[S

5、]。t:switching的周期[S]。pattern的幅宽较窄小的场合可加大铜箔厚度，如上所述pattern的幅宽每1mm的容许电流约为1A左右，此时铜箔厚度约为35μm，不过实际上高功率印刷电路的铜箔厚度却高达70μm，换言之相对于幅宽1mm的pattern，容许实效电流等于是2A左右。宽幅pattern可降低损失由于switching电源已经成为提高效率必要组件之一，因此出现许多高效率电路，不过实际上经常因为pattern设计不当造成电力损失，使的高效率电路无法发挥预期的效果，由此可知pattern宽度对防止效率降低具有决定性的影响。pattern造成的电力损失可

6、由电路的实效电流与pattern的直流阻抗求得，pattern的直流阻抗R[Ω]可用下式表示:p:体积阻抗率[Ω∙m]。l:pattern的长度。a:截面积[cm2]。00C时铜的体积阻抗率率为1.55×10-8Ω∙m，1000C时为2.33×10-8Ω∙m，因此T0C时铜的体积阻抗率p可用下式表示:p={(2.33-1.5)×(T/100)+1.55}×10-8 =(0.0068T+1.55)×10-8---------------------------------------------(3)由上式可知pattern越粗大，pattern的阻抗相对的越小，换言之设

7、计高功率电路时除了必需确保pattern之间的间隙(gap)与必要的pattern之外，还可以利用蚀刻方式将多余的pattern铜箔去除，如此一来便可有效降低pattern的阻抗，进而提高高功率电路的效率。注意pattern的温升特性表1是pattern的温度分别上升100C、200C、400C时pattern的幅宽与容许电流与的依存特性。一般认为设计高功率电路时，温升不可大于200C，也就是说0.1mm的pattern幅宽容许0.7A的电流，1.0mm的pattern幅宽容许3A的电流也因而成为常用的设计参考值。上述式(1)patter