在高負載應用中如何管理銅墊，銅走線和平面？

在今天的世界中，包含低功耗閃爍LED（用于狀態指示之類）的PCB設計在世界上很普遍，但是如果該LED需要超過10安培的電流怎么辦？還是20安培呢？或者如果驅動它所需的電壓超過100V怎么辦？在什么時候負載被認為是高電壓或高電流，這對PCB設計過程意味著什么？在為此類情況指定組件和布局PCB時，必須考慮幾個因素，所以讓我們直接進入。

PCB銅走線，銅墊和銅平面中的高電流

電流是通過銅走線和平面傳輸的，這是非常常識。但是，這些走線和平面具有與之相關的電阻，并且取決于電流量，可能會對電路板的性能產生負面影響，在某些情況下，甚至會損壞電路板和組件。在極端條件下，如果板出現故障，甚至機器及其操作員都可能面臨危險。

PCB走線越長和越窄，走線的電阻就越高，從而導致兩個信號端點之間的壓降更大。當承載大量電流時，走線或平面也會發熱，這可能會影響附近的敏感元件，同時也使銅的完整性受到威脅。

在提供可靠，安全的設計的同時管理大電流應用的最佳方法是什么？

相關文章“ PCB設計中PCB跡線寬度的重要性”提供了在各種應用中使用的跡線寬度，長度和樣式的高級視圖。部分之一介紹了如何計算PCB走線寬度并用于優化壓降。此處適用相同的計算。如果設計人員可以進行相應的計劃并使用應用程序的電流要求來驅動給定走線長度的最小走線寬度，那么就可以對壓降進行量化并放心地布置。它有助于了解哪些PCB特性會影響這些值以及如何在設計中更改它們。當走線的電流超出寬度或面積的實際值時，可以使用其他策略來最大化銅。

默認情況下，典型的銅重量設置為1盎司（或140密耳厚度），但是通常可以在給定層上增加該銅厚度。外層的銅重量可能高達15盎司（或21密耳）。這不僅會增加整體PCB的厚度，重量和制造成本，而且由于蝕刻工藝的原因，還需要在焊盤和組件之間留出更大的間距，因此在選擇較厚的銅重量時必須考慮平衡點。

可以拉動另一個杠桿以增加給定功率信號的銅量的另一種方法是將走線或平面分布在多個層上，并通過稱為過縫的技術將它們綁在一起。通孔縫合在通信設備中很常見，在通信設備中，屏蔽和噪聲/串擾抑制非常重要，但它也有助于進行熱管理并降低走線的整體電阻。這對于在外殼上包含散熱墊的功率組件非常常見，有助于降低焊盤到焊盤結點的溫度。

相同的想法可以應用于電源平面或走線，可以在多層上鏡像并與多個過孔綁在一起，如圖1所示。請記住，過孔本身就像微電阻一樣，因此請確保過孔的直徑將各層連接在一起的大小不能太小，并確保有足夠的通孔來幫助傳遞熱量。

PCB中要考慮的熱性能：銅走線，銅墊和銅平面

盡管可以使用某些PCB設計策略來管理PCB的熱性能，但與PCB供應商合作并選擇合適的板層堆疊也可以大大降低大電流產生的板溫度。選擇會降低熱膨脹系數（CTE）的疊層材料可以限制PCB在加熱或冷卻時的膨脹和收縮，這將提高PCB的耐用性并有助于最大程度地減少結構故障。對于電流較高且溫度難以控制的應用，填充鋁，銅或其他特殊金屬的金屬芯PCB可以幫助將熱量散布到整個PCB上

某些PCB設計軟件（例如Altium Designer）可以可視化顯示熱分布。如果您擁有可用的工具，則其中的某些功能可以非常有效地提供潛在熱點及其管理方式的快照。圖2顯示了Altium的PDN分析儀工具，直觀地展示了整個PCB的熱量分布。

除了最大化給定信號的銅面積之外，還可以采用其他非PCB冷卻技術，例如散熱器（被動冷卻）或增加氣流（主動冷卻）。散熱器通常與需要額外功耗的組件一起使用，但也可以與導熱膏一起安裝到裸露的銅走線或平面上，以實現最佳的熱傳遞。氣流通常是理想的，雖然它可能很復雜且實現成本更高，但通常值得付出努力。

最后，在高電流應用無法保護硬件和附近操作員的情況下，結合故障安全電路和冗余始終是最佳實踐。軟啟動電路，過流保護和保險絲，電流監控器和調節器，繼電器和互鎖以及一般浪涌保護是在發生故障時可用于監視，保護和斷開負載的組件示例。在PCB供應商處進行的模擬負載功能測試也可以幫助防止正常使用期間的故障和不安全狀況。

PCB銅走線，銅墊和銅平面中的高壓

高電壓設計與高電流應用有很大不同，并且可能會更加棘手。首先，AC領域中的高壓被認為超過1000V，但對于DC電壓則要低得多。根據美國職業安全與健康管理局（OSHA）的規定，任何等于或高于50V的電壓均會對AC和DC應用產生危害。而且，請不要忘記，交流電壓包含均方根（RMS）參數，當計算峰值時，其峰值將高出1.4倍左右。在設計用于更高電壓的應用時，必須考慮許多因素，例如裸露的觸點和銅之間的間隙，以防止產生電弧，絕緣的布線或電纜，并確保在電路板疊層中選擇正確的材料（基板和層壓板）。

首先，讓我們看看最重要的一個：間隙。

對高壓PCB設計，UL60950-1（美國），CSA22.3（加拿大）或任何其他有關高壓設計要求的適用標準進行審查和理解是必不可少的。這包括有關兩個電路（或觸點）之間的最小間隙和爬電距離的信息。由于電壓是電勢差，因此電子產品將希望找到一種方法，從高電勢過渡到低電勢，即使這意味著“跨越空氣間隙”。通常將其稱為電弧放電，這是一種危險事件，可能會損壞電路板并引起火災。

爬電距離是什么意思？與兩點之間的電氣間隙有何不同？

PCB上的間隙定義為兩條導體之間通過空氣的最小直接距離，而爬電距離是指沿著PCB表面的導體之間的距離的長度。并且，如圖3所示，這些距離的最小值由工作電壓確定。峰值直流電壓將確定電氣間隙，而交流電壓的RMS值將確定爬電距離。

滿足這些最小間隙和爬電距離值并不總是容易的，但是一些策略包括在PCB的兩側放置組件以最大程度地增大兩個銅表面之間的距離，以及使用各種厚度的絕緣材料來最大化爬電距離。

保形涂層是高壓電路中的一種常見做法，是在PCB表面上施加不導電的絕緣材料。除了幫助預防電弧和高壓外，它還增加了其他一些好處，例如熱，結構和環境保護。IPC-A-610是這些涂料參考的典型標準，但根據應用情況，可以應用更嚴格的標準。

而且，在配置電路板的疊層時，根據功率要求，考慮遠離非常常用的FR-4基板材料可能很有用。聚四氟乙烯（PTFE）和聚酰亞胺基材的額定溫度更高，通常為高壓應用提供更多支持。另外，預浸料（預浸樹脂的玻璃纖維將PCB中的每一層保持在一起）也采用了更高額定值的材料和玻璃樣式，例如1080或2113。與您的PCB供應商合作，看看有哪些選擇可用于更高電壓和功率的材料。

確保測試高電位表面

您可以在制造過程中提供的最佳保險政策之一就是進行測試，以確保PCB在高電勢表面之間具有良好的隔離和間距。該測試通常稱為耐壓測試或介電測試。與連續性測試相反，它檢查電壓水平升高時，沒有任何電流從任何兩個未連接的導體中流出。在生產過程中執行該測試將有助于清除掉那些含有缺陷的電路板，并有助于最大程度地減少現場故障（和不安全條件），同時提高PCB的整體可靠性。

在高負載應用中管理銅焊盤，銅走線和銅平面的摘要

在高負載應用中管理銅墊，銅走線和銅平面的最佳方法是測試并監視以下各項：

l 大電流

l 熱性能

l 高壓

l 爬電

l 高潛力

如果考慮到以上幾個方面，您將可以很好地進行測試，并確保新PCB具有在高負載應用中正常運行所需的一切。