Введение в проектирование сильноточных печатных плат

Системы, работающие при высоких токах или напряжениях, сталкиваются с уникальным набором проблем, которые не наблюдаются в небольших цифровых системах. Операторы могут подвергаться воздействию небезопасных условий, а конструкции могут выйти из строя из-за нагрева или электростатического разряда.

 Тем не менее, правильные решения по проектированию печатных плат могут помочь снизить риски, связанные с взаимодействием с силовой электроникой. В этом руководстве мы рассмотрим некоторые основные моменты проектирования, которые следует учитывать при проектировании сильноточных плат. В некоторых случаях компоновка и соображения безопасности, связанные с конструкцией сильноточной платы, аналогичны тем, которые используются при проектировании высоковольтных плат, особенно когда мы рассматриваем безопасность.

Основы компоновки сильноточных печатных плат

Есть несколько хороших примеров сильноточных конструкций печатных плат, которые не обязательно работают при высоких напряжениях. Более того, понятие «высокое напряжение» и «большой ток» несколько условно. Лучшим показателем, который отличает эти типы дизайнов, может быть безопасность. Если постоянный ток представляет опасность поражения электрическим током или перегрева, возможно, вам придется применить некоторые из этих принципов проектирования для обеспечения безопасности и надежности.

Выбор компонентов

Сильноточные конструкции и системы питания обычно получают большую часть своей надежности от компонентов. Хотя это звучит очевидно, обязательно учитывайте запас прочности компонента при выборе. В общем, рекомендуется сначала взглянуть на две спецификации:

Номинальный ток, особенно МОП-транзисторов и катушек индуктивности

Значение теплового сопротивления (при наличии)

Вы можете использовать расчетный или расчетный рабочий ток для определения потребляемой мощности или использовать первую спецификацию выше, чтобы получить значение для худшего случая. Оба помогают в управлении температурным режимом, что требует использования значений теплового сопротивления для оценки температуры. Для некоторых компонентов можно определить, нужен ли радиатор для обеспечения надежности.

Другие компоненты, которые важны для сильноточных печатных плат (например, разъемы), могут иметь очень высокие номинальные характеристики и быть очень полезными в энергосистемах. Ниже приведены два примера механических клеммных разъемов, которые могут выдерживать очень высокие токи.

Выберите правильный вес меди

Сопротивление меди, используемой в проводке, вызывает некоторую потерю мощности постоянного тока, которая теряется в виде тепла. Это становится важным для конструкций с очень высоким током, особенно при высокой плотности компонентов. Способ предотвращения потерь на постоянный ток в сильноточных печатных платах заключается в использовании меди с большей площадью поперечного сечения. Это означает, что требуется либо более тяжелая медь, либо более широкая проводка, чтобы поддерживать достаточно низкие потери тепла и мощности в джоулях. Используйте ширину провода печатной платы и амперметр, чтобы определить вес меди и/или ширину провода, необходимые для предотвращения чрезмерного повышения температуры.

Станьте больше: используйте самолеты вместо гусениц

Если вам необходимо подавать очень высокий ток в энергосистему, а проводка слишком широкая, чтобы удовлетворить ваши потребности, используйте слой питания вместо проводки. Например, в объединительной плате формата Eurocard, которую мы использовали в прошлом, мы использовали несколько уровней питания для подачи тока 100 А от двух выделенных низковольтных (24 В) источников питания. Вы можете использовать ту же стратегию в других системах, когда вам нужно поддерживать экстремальные течения.

Радиатор с медным покрытием

В корпусе платы со стоячим воздухом трудно передать тепло от устройства, если полагаться исключительно на теплопроводность или естественную конвекцию. Горячие сквозные отверстия могут быть размещены на платах с медью на поверхностном слое, чтобы обеспечить дополнительную передачу тепла от определенных компонентов, обеспечивая прямое соединение с плоским слоем (GND). Это может быть использовано в цепях, близких к тепловому элементу, или в проводке для обеспечения дополнительной теплопроводности вдали от поверхностного слоя, но не должно использоваться в ситуациях, когда требуется изоляция, например, между первичным и вторичным витками силового трансформатора.

В то время как отверстия радиатора хороши для нацеливания на конкретные компоненты, лучшей стратегией является рассмотрение того, как использовать большие радиаторы или прямые пути проводимости к корпусу для обеспечения высокого рассеивания тепла. Пример набора параллельных MosFeT приведен ниже.

Следите за землей

Сильноточные системы могут потребовать таких же отказоустойчивых мер. Определенная степень безопасности и электромагнитных помех может быть достигнута с помощью правильных стратегий заземления. Как правило, вы не должны разделять землю, но системы питания, связанные с большими токами и / или высоким напряжением, являются исключением. Заземление должно быть разделено между входным переменным током, нерегулируемым постоянным током и регулируемыми частями постоянного тока.

Хорошей отправной точкой является политика заземления в системе переменного тока или изолированном источнике питания. Как правило, для сильноточной системы электропитания у вас будет 3-проводная схема постоянного тока (PWR, COM, GND), где соединение GND фактически является заземлением. Ваша системная плата может использовать политику изоляции, при которой выходная сторона отключена от GND, а входная сторона заземлена для обеспечения безопасности в случае сбоя.

Используйте более толстые печатные платы