电力电子PCB设计最佳实践
你能学到什么
电力电子PCB设计中的元件和电路选择。
PCB设计的热管理思想。
电源完整性的PCB布局技巧。
电路板上的电源
权力是善变的。当它起作用时，我们不会想太多，但当它出现问题时，它真的会让生活变得有趣。我哥哥十几岁的时候，他发现他的旧车的充电系统出了问题，因为他注意到车灯的强度随着发动机的转速而变化。他决定通过猛踩油门来测试一下，并迅速把车里的每个灯泡都吹灭了。
我哥哥会同意，这不是他一生中最好的决定，但它确实说明了，如果管理不当，权力会如何转向你。这就是为什么我们在带板载电源的印刷电路板设计上投入了大量精力。我们不仅要保护用户免受冲击，而且由此产生的电路噪声可能对电路板上的其他电路有害。让我们来看看电力电子PCB设计中的一些最佳实践。
电力电子PCB设计中的元件和电路选择
根据需要，你可以为电路板设计不同的电力电子产品。在这种情况下将交流电源转换为直流电源，您将很可能使用线性或开关模式电源的稳压电源。对于低功耗的应用，这些电源可以作为集成电路组件(IC)设计到PCB中，使其成为直接插入墙上插座的小型设备的理想选择。
要将直流电转换为直流电，例如提高或降低电压，可以在电路板上设计不同的功率转换电路。例如，升压转换电路将提高输出电压，而降压转换器将降低输出电压。还有DC - DC转换电路的其他变体，例如buck-boost转换器，其中电压可以根据控制方式升压或降压。
无论你在原理图中设计什么样的电源，你都将使用有源和无源组件的混合。您将需要使用为更高电压设计的部件，这些部件具有特定的介电材料和涂层，以承受更高的电阻和温度。您还必须确保您的设计不超过您所使用部件的制造商指定的操作值，以确保部件不会过早失效。为了确保在原理图中创建的电源设计将在最终PCB上正确工作，您应该模拟设计在进入PCB布局之前。
电力电子热管理“，
电源电子设备可能会发热，这取决于它们正在转换的功率，并且必须在电路板上管理这些热量。对于那些功率非常高的电源，你可能需要研究一下备用板材料如陶瓷或一些聚四氟乙烯(聚四氟乙烯或“特氟龙”)层压板。但要注意的是，有些材料具有非标准的制造工艺，这将提高你的制造成本。
在设计中管理热量的另一种方法是PCB层堆叠如何配置电源和地平面。虽然地平面对电源完整性的管理很重要，但它们也有助于管理来自表面层的热量。来自组件热垫和金属导体的热量将通过通孔向下传导，并进入可以消散的平面。在布局中，使用具有较高铜重量的走线来携带大电流是很重要的，这也将有助于散热。
组件的放置在热管理中也起着重要的作用。虽然单个电源的各个部分应该放在一起，但电路板上的不同电源电路应该尽可能分散开来。这将避免产生热点，并确保更均匀的温度全面。您还应该考虑被动冷却方法与您的位置，如散热器，或主动冷却装置如风扇，用于非常高温的应用。
印刷电路板上的功率转换器布局
PCB布局提示电源完整性
当涉及到实际布置电源时，这里有几个重要的类别需要关注:
组件:为了使电源路由尽可能短，请保持组件的位置尽可能地紧。首先从电源的主要部件开始，例如转换器IC。从那里开始，放置剩余的电源部件，从输入电容开始，然后是电感，然后是输出电容。您需要使这些部件尽可能地相互接近，以减少电磁干扰，并且您将希望这些部件位于板的同一侧，以避免使用通孔引起的阻抗。
跟踪:跟踪路由也应该尽可能紧凑。为了保持低电感，保持你的痕迹短而宽．试着画出45度角，或者圆角。此外，保持与电源无关的其他信号痕迹远离该区域，以避免电源组件对它们的噪声污染。
接地:电源最好的接地方式是使用坚实的平面，而不是走线。这不仅有助于电源的完整性，而且还有助于我们之前讨论过的热管理。您还应该隔离电源接地平面从公共接地平面为其余的单板。它们可以在一点上捆绑在一起，但如果两个地面使用同一平面，则希望避免返回信号路径穿过有噪声的地面返回区域。
为了帮助自己在印刷电路板上设计电力电子器件，您需要能够应对挑战的设计工具。您将需要仿真和分析工具来验证您的电源设计将满足电路板的需求。您还希望最大限度地使用设计规则和约束功能，以识别和分组功率组件和网络。这将允许您在布局中分配正确的间距和跟踪宽度。
不要忘记使用工具的3D功能，以确保布局中较高的功率组件不会与其他机械物体或系统插框冲突。最后，充分利用工具的不同路由特性，在电源组件之间创建最短的连接路径。
这可能听起来对任何设计工具的要求都很高，但好消息是有一个PCB设计系统可以满足电力电子设计所需的所有要求。OrCAD PCB Designer来自Cadence的，具有我们在这里提到的所有工具和功能。使用OrCAD，您可以访问所需的所有原理图捕获、SPICE模拟和PCB布局特性。
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