“本系列將從電壓需求與隔離、電流需求與分配、功率需求與熱管理三個(gè)章節(jié)來介紹大功率 PCB 設(shè)計(jì)。本章節(jié)會(huì)通過設(shè)計(jì)一個(gè) 100A PCB 的示例進(jìn)行講解。”

處理大電流是高功率 PCB 設(shè)計(jì)的核心挑戰(zhàn)。不當(dāng)?shù)碾娏鞴芾頃?huì)導(dǎo)致過熱、壓降過大，甚至使銅皮熔斷。本文將重點(diǎn)介紹如何根據(jù)電流需求設(shè)計(jì)導(dǎo)體、過孔，并應(yīng)對(duì)電流分配的挑戰(zhàn)。

1. 計(jì)算載流量：IPC-2152 標(biāo)準(zhǔn)

設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)是確定最大負(fù)載電流。如果只知道最大功率，請(qǐng)使用最低工作電壓來計(jì)算最大電流，以評(píng)估最壞情況。

IPC-2152（印制電路板載流量標(biāo)準(zhǔn)）是計(jì)算導(dǎo)體寬度和溫升關(guān)系的權(quán)威指南。使用 Saturn PCB Toolkit，通過輸入走線寬度、銅箔厚度等核心參數(shù)，可以計(jì)算出走線允許的最大電流。以下是幾個(gè)值得關(guān)注的參數(shù)：

• 走線（導(dǎo)體）寬度：最核心參數(shù)，與最大電流密切相關(guān)

• 銅厚：如1oz (35μm) 或 2oz (70μm)。

• 允許溫升 (Temp Rise)：您允許銅皮比環(huán)境溫度高多少度（例如20°C）。

• 環(huán)境溫度 (Ambient Temp)：PCB的工作環(huán)境溫度。

注意以下幾點(diǎn)：

• 最大導(dǎo)體電流并不會(huì)隨著導(dǎo)體寬度的增加而線性增加。

• 需要考慮鄰近銅箔布局及其對(duì)大電流路徑的影響。

• 隨著導(dǎo)體寬度增加，它看起來更像一個(gè)銅面（或銅皮），而不再像一條走線。

• 由于系統(tǒng)設(shè)計(jì)中散熱損耗的多樣性（或可變性），IPC-2152 標(biāo)準(zhǔn)無法準(zhǔn)確計(jì)算大面積銅箔的熱行為。

• 需要通過仿真來準(zhǔn)確預(yù)測(cè)大面積銅箔的溫升。

2. 銅厚的選擇

• 常見的銅厚（銅箔厚度）范圍為 0.5 oz/ft2 到 3 oz/ft2。

• 在內(nèi)層使用超過 2 盎司的銅會(huì)顯著增加層壓（或壓合）問題的風(fēng)險(xiǎn)。

• 外層可以通過選擇性電鍍達(dá)到遠(yuǎn)超 2 盎司的銅厚。

• 僅保留在供應(yīng)商資質(zhì)非常好的情況下，或當(dāng) 2 盎司銅厚因走線寬度限制而無法滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)，才使用超過 2 盎司的銅。

3. 100A PCB 設(shè)計(jì)實(shí)例

讓我們通過一個(gè)實(shí)例來演示如何設(shè)計(jì)承載 100A 電流的路徑。

以下為設(shè)計(jì)的基本原則：

• 考慮所有的電路和設(shè)計(jì)約束。

• 確定源端和負(fù)載端接的位置。

• 避免將敏感電路放置在大電流區(qū)域附近。

• 盡可能對(duì)柵極驅(qū)動(dòng)等信號(hào)進(jìn)行屏蔽，使其免受高di/dt（高電流變化率）的影響。

• 確定電路板上可用于大電流路徑和大電流元器件的區(qū)域。

• 在層疊設(shè)計(jì)中，避免將大電流路徑放置在除其回流路徑或屏蔽層之外的任何其他層的旁邊。

• 如果由于連接（例如電池設(shè)計(jì)）的機(jī)械結(jié)構(gòu)限制，大電流路徑無法與其回流路徑緊密耦合，則需要有策略來減輕高di/dt期間磁場(chǎng)擴(kuò)散帶來的影響。

場(chǎng)景：2英寸寬的可用銅皮路徑，環(huán)境溫度22°C，允許溫升20°C。

一旦確定了（布線）可用空間有多大，就要決定所需的銅厚以及層數(shù)。

在本例中，假設(shè)大電流路徑平均分配在所有層上，且沒有相鄰的回流路徑。

注意：

• 內(nèi)層（銅）厚度等于基銅（Base Copper）的厚度。

• 外層（銅）厚度等于基銅重量加上電鍍（Plating）的厚度。

以下為銅厚為分別為外層銅箔為 0.5 oz，1 oz，2 oz 時(shí)的額定電流及相關(guān)分析：

• 0.5 盎司 (oz) 銅厚 - 2 英寸 (inch) 寬度，每層額定電流 16.9A。

  • （在此條件下）承載 25A 電流時(shí)，導(dǎo)體溫度為158.9°F (70.5°C)

• 1 盎司 (oz) 銅厚 - 2 英寸 (inch) 寬度，每層額定電流 25.3A。

  • （在此條件下）承載 25A 電流時(shí)，導(dǎo)體溫度為106.6°F (41.4°C)。

  • 溫升 19.4°C

  • 沒有為 de-rating 或負(fù)載分布不均留出余量

• 2 盎司 (oz) 銅厚 - 2 英寸 (inch) 寬度，每層額定電流 37.8A。

  • （在此條件下）承載 25A 電流時(shí)，導(dǎo)體溫度為85.6°F (29.8°C)

  • 溫升 7.8°C

  • 66% 的電流 de-rating (25A / 37.8A x 100% = 66%)

  • 通常來說，溫度每升高 10°C，可靠性就會(huì)降低 50%

結(jié)論：在空間允許的情況下，使用更厚的銅并進(jìn)行 de-rating 設(shè)計(jì)，是提高可靠性的關(guān)鍵策略。

4. 過孔 (Via) 載流量

電流需要在不同層之間傳輸，這依賴于過孔。當(dāng)使用多個(gè)層時(shí)，在源端和負(fù)載連接處設(shè)計(jì)的均流過孔（或負(fù)載分配過孔），應(yīng)至少能承載 100% 的負(fù)載。

單個(gè)過孔的載流量同樣可以使用 IPC-2152 計(jì)算器（如Saturn PCB Toolkit）得出。例如，一個(gè) 15mil 鉆孔、2.1mil 鍍層厚度的過孔，在 20°C 溫升下約承載 3.9A。

假設(shè) 100A 負(fù)載，理論上需要 100A / 3.9A = 26 個(gè)過孔。

為了提高可靠性，永遠(yuǎn)不要只使用理論最小值。為了提高可靠性并應(yīng)對(duì)不均勻的電流分布，至少使用 50% 的 de-rating，26 個(gè)過孔 / 0.5 = 52 個(gè)過孔。

過孔的成本很低，因此在空間合理允許的前提下，應(yīng)盡可能多地使用過孔。

在所有源端和負(fù)載連接處均勻地分布過孔。如果空間允許，可以多放些過孔，下圖中放了 64 個(gè)過孔，de-rating 超過了 50%，提供了更高的可靠性。

需要使用負(fù)載分配過孔（或：均流過孔）將電流傳輸至貼片 FET。在貼片 FET 周圍均勻地分布過孔。采用100% 負(fù)載（計(jì)算）和50% 的 de-rating。為了提高可靠性，最少需要 52 個(gè)過孔。

如果頂層和底層都安裝了大電流 FET 陣列時(shí)，確保所有的大功率節(jié)點(diǎn)都連接在一起。在本例中，共源極節(jié)點(diǎn)(common-source node) 也需要設(shè)置負(fù)載分配過孔。如果不同過孔陣列之間的距離超過 3 英寸，應(yīng)考慮增加額外的過孔陣列，以平衡各層之間可能出現(xiàn)的電流分布不均。過孔陣列有助于最小化各層之間的阻抗差異，且有助于分散局部積聚的熱量。

5. 電流分配的挑戰(zhàn)

在實(shí)際布局中，電流并不會(huì)“智能地”平均分配。電流會(huì)優(yōu)先選擇阻抗最低的路徑，這會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的“熱點(diǎn)”問題。我們來挑戰(zhàn)一把。

設(shè)計(jì)要求：

• 電源 為 28V 直流。

• 持續(xù)最大負(fù)載 為 5,600W。

設(shè)計(jì)練習(xí)：

• 確定電路大功率路徑的最大負(fù)載條件。

• 5600W / 28VDC = 200A（安培）最大負(fù)載。

• 評(píng)估最大負(fù)載在整個(gè)設(shè)計(jì)中將如何分布。

• 優(yōu)化布局 ，以避免產(chǎn)生熱點(diǎn) (hotspots) 或使元器件功率過載 。

挑戰(zhàn)1：布局不平衡

負(fù)載A-D 承受5,600W 功率。電源A-D 提供28VDC 電壓。在最大負(fù)載下，大功率路徑將承載200A 電流。負(fù)載如何在元器件之間分配？負(fù)載如何在電源和負(fù)載路徑上分配？是否存在高電流密度的區(qū)域？

• 如果源和負(fù)載連接點(diǎn)位于電路板的內(nèi)側(cè)（如Source B, C和Load B, C），電流會(huì)集中涌向這些低阻抗路徑。

• 而外側(cè)路徑（Source A, D和Load A, D）承載的電流遠(yuǎn)小于50A。

• 同時(shí)，電流在拐角處會(huì)產(chǎn)生“擁塞”，形成高電流密度區(qū)域，導(dǎo)致局部過熱。

更好的解決方案如下：

• 通過平衡電源到負(fù)載路徑的阻抗，來優(yōu)化電流分布。

• 負(fù)載均勻分配到各個(gè)元器件上。

• 負(fù)載均勻分配到電源和負(fù)載的各個(gè)連接點(diǎn)上。

• 當(dāng)電流不必繞過拐角時(shí)，高電流密度的區(qū)域即被消除。

挑戰(zhàn)2：?jiǎn)吸c(diǎn)負(fù)載

負(fù)載A(LoadA) 承受5,600W 功率。電源A(SourceA) 提供28VDC 電壓。在最大負(fù)載下，大功率路徑將承載200A 電流。負(fù)載如何在元器件之間分配？負(fù)載如何在電源和負(fù)載路徑（或：源荷路徑）上分配？是否存在高電流密度的區(qū)域？

如果 200A 全部由 Source A 供電，并由 Load A 消耗，分析下電流的情況：

• 負(fù)載在元器件之間的分配不均衡。

• 由于 FET A 和 FET B 距離路徑最近，它們將承載絕大部分電流（例如~80A和~60A），而 FET D 可能只承載 ~20A。

• 這種極不均勻的分配會(huì)導(dǎo)致 FET A 和 B 迅速過熱失效。

• 在電流拐彎的區(qū)域存在高電流密度

挑戰(zhàn)3：對(duì)角線負(fù)載

負(fù)載A(LoadA) 承受5,600W 功率。電源 D (SourceD) 提供28VDC 電壓。在最大負(fù)載下，大功率路徑將承載200A 電流。負(fù)載如何在元器件之間分配？負(fù)載如何在電源和負(fù)載路徑（或：源荷路徑）上分配？是否存在高電流密度的區(qū)域？

如果 200A 由Source D供電，由 Load A 消耗，分析下電流的情況：

• 電流會(huì)相對(duì)均勻地流過所有FET（~50A），因?yàn)樗鼈兣c主路徑的阻抗大致相同。

• FET A 和 FET B 上產(chǎn)生顯著的熱量。

• 但是，電流在Source D和Load A的入口/出口處仍會(huì)形成高電流密度的拐角，引發(fā)熱點(diǎn)。

優(yōu)化策略：通過對(duì)稱布局，平衡從每個(gè)源到每個(gè)負(fù)載的路徑阻抗，可以實(shí)現(xiàn)最均勻的電流分配（每個(gè)路徑~50A），并消除高密度的拐角。

然而，即使布局優(yōu)化了，也必須進(jìn)行進(jìn)一步的熱分析（如熱仿真）來驗(yàn)證FET的結(jié)溫和PCB的溫升是否在安全范圍內(nèi)。