快来救救我这块着火的电路板之PCB设计热管理

高级PCB设计中的热管理策略：前置知识与实践案例

在电子产品的微型化趋势日益激烈的今天，处理和管理高电流负荷下的PCB（印刷电路板）产生的高热，是工程师们面临的关键挑战。尤其在应用如电动汽车中的锂离子电池管理系统或大电流驱动电路等负载繁重系统中，PCB设计者们必须采取创新策略以确保系统的稳定性和可靠性。




当电流遇上热：原理与反应

电阻作为电流载体，所呈现的电流流动会引起功率损失，并因此产生热能。具体地，功率损失与电流的平方成正比，公式为 \( P = I^2 \cdot R \)，其中 \( P \) 是功率，\( I \) 是通过电阻的电流，\( R \) 是电阻值。因此，大电流操作会导致显著的功率损耗和温度上升。不良的热管理策略会导致元器件过热，甚至可能导致火灾，如文中提到的实例：电阻功率不足导致电容附近烧损。

铜的力量：提升散热性能的关键

为了对抗高频电流下的高热生成，设计师通常会选择增加采用的铜箔厚度。以盎司（oz）为单位衡量铜的厚度，有以下换算方法：

1盎司（oz）铜的厚度约为35微米（也可以转换为1.35密尔）。

在无法利用风扇或散热片的土地上，增大PCB上铜走线和过孔的总面积是提升散热效率的有效途径。特定于电路需求和热管理策略，实现的导线宽度和铜箔厚度的提升有助于显著降低热输出，例如，对于工作电流超过10安培的电路，应考虑使用高达34盎司每平方英尺的铜量。对于厚度而言，即使增加到1.6毫米是一个普遍的选择，为了应对特定条件下的大电流、高热负载，采用较厚的板（如2.0毫米加厚板）是必要的。这种高厚度板的设计考虑了空间限制与散热性能之间的平衡。

散热路径的探索：孔道与垫片策略

除了通孔外径和厚度的增加，采用散热孔和垫片是另一种有效的热管理系统。散热孔充当通道，允许热量从关键组件区域传输并散发到PCB的金属衬底上，继而进一步发散到环境。散热垫片——经常位于底层电路板上的一片金属，从热聚焦点捕获热量并将之推送到较大的散热表面或设备外壳中，从而提高整体散热效率。这样的布局设计需要精心规划，以确保单个电路板能够高效管理热量流，同时考虑其与环境的交互作用。

布局优化：控制热负荷的战略决策

优化高温发热量设备的布局位置是热管理中另一个关键策略。将高电流负载的元素放置靠近PCB的中心而不是边缘，有助于热量平均分布在板面，减少局部过热现象。智能布局考虑了散热需求与元器件功能的平衡，尽可能地实现组件间的热量分散。在空间允许的情况下，对不同参数和热量需求的元器件行分离布局的策略也可以辅助热能分散。

结论与前瞻性展望

在设计高压共轨电喷系统等高负荷应用的电子设备时，面对着复杂多变的散热挑战。事实上，一方面注重电路板的尺寸、成本和制造可行性，另一方面强调散热效率和可靠性之间的精细平衡，构成了电子工程设计领域的绝佳实践。采用更厚的铜箔、增加散热孔或垫片的实施、优化高负载元件的布局、以及利用像Altium Designer之类的软件工具进行热流模拟分析，都是当前业界值得探索和采用的重要策略。这些方法不仅有助于维持电子系统的恒定操作温度，延长元器件寿命，同时也对整体系统的设计与实现提供了不可或缺的指导。

注解

本文以探讨高电流PCB设计中热管理的策略为核心，从基本原理、具体实践案例到前瞻性的设计思路，全面展示了PCB设计者们如何在热管理这一难题上寻求突破。通过技术创新与精心规划，达成了对系统稳定性与热负荷的平衡管理，为研发人员提供了宝贵的指导意见。