電機驅動器 PCB 布局準則有哪些

印刷電路板 (PCB) 基材（例如 FR-4 環(huán)氧樹脂玻璃）的導熱性較差。相反，銅的導熱性非常出色。因此，從熱管理角度來看，增加 PCB 中的銅面積是一個理想方案。

厚銅箔（例如：2 盎司（68 微米厚））的導熱性優(yōu)于較薄的銅箔。然而，使用厚銅箔的成本較高，并且難以實現(xiàn)精細的幾何形狀。因此，使用 1 盎司（34 微米）銅箔變得很常見。外層通常使用? 盎司到1 盎司的銅箔。

多層電路板內層使用的固體銅面具有良好的散熱性。然而，由于這些銅面通常都置于電路板疊層的中央，因此熱量會聚集在電路板內部。增加 PCB 外層的銅面積，并經(jīng)由許多通孔連接或“縫接”至內層，有助于將熱量轉移到內層外部。

由于存在走線和元件，雙層 PCB 的散熱可能會更加困難。因此，盡可能多地提供固體銅面，并實現(xiàn)與電機驅動器 IC 的良好熱連接顯得非常必要。在兩個外層上都增加覆銅區(qū)，并將其與許多通孔連接在一起，有助于由走線和元件分割的各區(qū)域間散熱。

?走線寬度：越寬越好

由于電機驅動器 IC 的進出電流較大（在一些情況下超過 10 A），因此應謹慎考慮進出器件的 PCB 走線寬度。走線越寬，電阻越低。必須調整走線尺寸，以使走線電阻不會消耗過多功率，避免導致走線升溫。太小的走線其實可以作為電熔絲，并且容易燒斷！

設計師通常使用 IPC-2221 標準來確定適當?shù)淖呔€寬度。這一規(guī)范針對各種電流電平和允許的溫升提供了顯示銅橫截面積的相應圖表，可轉換為給定銅層厚度條件下的走線寬度。例如 1 盎司銅層中承載 10 A 電流的走線需要稍寬于 7 mm，以實現(xiàn) 10℃ 的溫升。針對 1-A 電流，走線寬度只需為 0.3 mm。

鑒于此，10 A 電流似乎不可能通過微型 IC 板。

需要理解的是，IPC-2221 中建議的走線寬度適用于等寬長距離 PCB 走線。如果采用更短的PCB 走線也有可能通過更大得多的電流，且不會產生任何不良作用。這是因為短而窄的 PCB 走線電阻較小，且產生的任何熱量都將被吸收至更寬的銅區(qū)域，而該區(qū)域則起到了散熱片的作用。

圖 1

加寬 PCB 走線，

以使 IC 板能夠更好地處理持續(xù)電流。

參見圖 1中的示例。盡管該器件的 IC 板只有 0.4 mm 寬，但它們必須承載高達 3 A 的持續(xù)電流。所以我們需要盡可能地將走線加寬，并靠近器件。

走線較窄部分產生的任何熱量被傳導至較寬的銅區(qū)域，以使較窄走線的溫升可以忽略不計。

嵌入在 PCB 內層的走線無法像外層的走線一樣充分散熱，因為絕緣基板的導熱性不佳。為此，內層走線應設計為外層走線的約兩倍寬。

作為一個大致的指導方針，下表顯示了電機驅動器應用中較長走線（超過大約 2 cm）的建議走線寬度。

如果空間允許，使用更寬走線或覆銅區(qū)的布線可使溫升和壓降達到最低。

?熱通孔：盡可能多地使用

通孔是小型的電鍍孔，通常用于將一根走線從一層穿至另一層。雖然熱通孔采用同樣的方式制成，但卻用于將熱量從一層傳至另一層。適當使用熱通孔對于 PCB 的散熱至關重要，但是必須考慮幾個工藝性問題。

通孔具有熱阻，這意味著當熱量流過通孔時，通孔之間會出現(xiàn)一些溫降，測量單位為 ℃/W。為使這一熱阻降至最低，并提高通孔傳輸熱量時的效率，應使用大通孔，且孔內應含有盡可能多的銅面積（圖 2）。

圖 2

應使用大通孔（圖2為通孔的橫截面），且孔內應含有盡可能多的銅面積，以使熱阻降至最低。

盡管在 PCB 的開口區(qū)域可以使用大通孔，但通孔往往置于 IC 板區(qū)域內，以直接從 IC 封裝中轉移熱量。在這種情況下，無法使用大通孔。這是因為大型的電鍍通孔可能會導致“滲錫”，即用于連接 IC 與 PCB 的焊料向下流入通孔中，從而導致焊接點質量不佳。

可以通過幾種方式來減少滲錫。其中一種是使用非常小的通孔，以減少滲入到孔中的焊料量。然而，小型通孔的熱阻更高，因此為實現(xiàn)相同的熱力性能，需要更多的通孔。

另一種技術是在板的背面為通孔“搭帳篷”。這需要移除板背面阻焊層中的缺口，以使阻焊層材料蓋住通孔。如果通孔較小，阻焊層將塞住通孔；因此，焊料就無法滲透 PCB。

不過，這可能會產生另外一個問題：焊劑聚集。通孔被塞住后，通孔中可能會聚集焊劑（焊膏的一種成分）。一些焊劑配方可能具有腐蝕性，如不去除，時間一長會導致可靠性問題。不過，現(xiàn)代大多數(shù)免清洗焊劑工藝不具有腐蝕性，且不會導致問題。

請注意，熱通孔不得使用熱風焊盤，它們必須直接連接至銅區(qū)域（圖 3）。

圖 3

熱通孔應直接連接 PCB 上的銅區(qū)域。

建議 PCB 設計人員與表面貼裝技術 (SMT) 工藝工程師一起檢查 PCB 組裝件，以選擇適用于該組裝件工藝的最佳通孔尺寸和結構，尤其是當熱通孔置于 IC 板區(qū)域內時。

?焊接外露式IC板

TSSOP 和 QFN 封裝的器件底層有一個較大的外露式 IC 板。該 IC 板連接至芯片的背面，用于去除器件中的熱量。該 IC 板必須充分焊接至 PCB 上，以消耗功率。

為沉積該 IC 板的焊膏而使用的模具開口并不一定會在 IC 數(shù)據(jù)表中詳細說明。通常，SMT 工藝工程師對模具上應沉積多少焊料以及模具應使用何種圖案有其自己的規(guī)則。

如果使用類似于 IC 板大小的單個開口，則會沉積大量焊膏。這樣可能會因焊料熔化時的表面張力而導致器件被抬起。另一個問題是焊料空洞（焊料區(qū)域內的空腔或缺口）。在回流焊過程中，焊劑的揮發(fā)性成分蒸發(fā)或沸騰時，就會出現(xiàn)焊料空洞。這可能會導致焊料被推出焊接點。

圖 4

為解決這些問題，針對面積大于約 2 平方毫米的 IC 板，焊膏通常沉積在幾個小的方形或圓形區(qū)域（圖4）。將焊膏分成更小的區(qū)域可使焊劑的揮發(fā)性成分更易于逸散出焊膏，而不會使焊料移位。

QFN 封裝的該焊料模有四個小開口，用于沉積中央 IC 板上的焊膏。

再一次地，建議 PCB 設計人員咨詢 SMT 工藝工程師，以便為這些 IC 板設計出適當?shù)哪＞唛_口。網(wǎng)上也有許多相關論文，可幫助 PCB 設計人員完成這一步驟。

?元器件布局

電機驅動器 IC 的元件布局指南與其他類型的電源 IC 類似。旁路電容器應盡可能地靠近器件電源引腳，而大容量電容器則置于其旁邊。許多電機驅動器 IC 使用引導和/或電荷泵電容器，其同樣應置于 IC 附近。

以下舉例說明了包含MPS公司產品的雙層PCB上的良好元件布局。

圖 5

參見圖 5中的良好元件布局示例。這幅圖顯示了在雙層 PCB 板上，MPS公司的MP6600產品---步進電機驅動器的元件布局。

大多數(shù)信號直接在頂層路由。電源從大容量電容器路由至底層的旁路和電荷泵電容器，同時在各層過渡之處使用多個通孔。