【導(dǎo)讀】電機(jī)驅(qū)動(dòng) IC 傳遞大量電流的同時(shí)也耗散了大量電能。 通常,能量會(huì)耗散到印刷電路板(PCB)的鋪銅區(qū)域。為保證PCB充分冷卻,需要依靠特殊的PCB設(shè)計(jì)技術(shù)。在本文的上篇中,將為您提供一些電機(jī)驅(qū)動(dòng)IC 的PCB 設(shè)計(jì)一般性建議。
使用大面積鋪銅!
銅是一種極好的導(dǎo)熱體。由于 PCB 的基板材料(FR-4 玻璃環(huán)氧樹(shù)脂)是一種不良導(dǎo)熱體。因此,從熱管理的角度來(lái)看,PCB的鋪銅區(qū)域越多則導(dǎo)熱越理想
如2盎司(68微米厚)的厚銅板相比較薄的銅板導(dǎo)熱效果更好。 然而,厚銅不但價(jià)格昂貴,而且也很難實(shí)現(xiàn)精細(xì)的幾何形狀。所以通常會(huì)選用1盎司(34微米厚)的銅板。外層板則經(jīng)常使用1/2盎司的鍍銅,厚度可達(dá)1盎司。
多層板中的內(nèi)層板常采用實(shí)心銅板以便更好地散熱。但是,由于其平面層通常位于電路板堆疊的中心位置,因此熱量可能會(huì)被鎖在電路板內(nèi)部。那么,可以在 PCB 的外層板上添加鋪銅區(qū)域,使用過(guò)孔連接到內(nèi)層板,將熱量傳遞出來(lái)。
由于雙層 PCB 中存在走線和元器件,散熱也會(huì)更加困難。 所以電機(jī)驅(qū)動(dòng)IC應(yīng)該使用盡可能多的實(shí)心銅板和利于散熱的過(guò)孔。將銅澆鑄在外層板的兩邊,使用過(guò)孔將它們連接起來(lái),這樣做可以將熱量分散到被走線和元器件隔開(kāi)的不同區(qū)域。
走線一定要寬—越寬越好!
因?yàn)榱鹘?jīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng) IC 的電流很大(有時(shí)超過(guò) 10A),所以應(yīng)仔細(xì)考慮接入芯片的 PCB 走線寬度。走線越寬電阻越小。必須調(diào)整好走線的寬度,才能保證走線中的電阻不會(huì)產(chǎn)生過(guò)多的能量耗散而導(dǎo)致走線溫度升高??墒翘?xì)的走線就像電熔絲一樣很容易被燒斷。
設(shè)計(jì)師通常會(huì)采用 IPC-2221 標(biāo)準(zhǔn)來(lái)計(jì)算合適的走線粗細(xì)。該規(guī)范有個(gè)圖表,顯示了不同電流水平的銅橫截面積和其允許的溫升,可以根據(jù)給定的銅層厚度下?lián)Q算出走線寬度。比如,1盎司厚度的銅層中負(fù)載10A電流需要?jiǎng)偤?mm寬的走線來(lái)實(shí)現(xiàn)10°C的溫升,那么對(duì)于1A的電流來(lái)說(shuō),僅需0.3mm的走線即可。
如果根據(jù)這種方法推算的話,似乎無(wú)法通過(guò)微型IC
焊盤(pán)運(yùn)行10A電流。
所以,需要重點(diǎn)了解的是 IPC-2221標(biāo)準(zhǔn)中,用于恒定寬度的長(zhǎng)PCB走線寬度建議。如果走線是連接到較大的走線或鋪銅區(qū),那么采用PCB走線的一小段傳遞更大的電流則沒(méi)有不良影響。這是因?yàn)槎潭腜CB走線電阻很小,而且其產(chǎn)生的熱量都被吸入到更寬的鋪銅區(qū)域內(nèi)。從圖1的示例中可以看出:即使此器件中的散熱焊盤(pán)只有0.4mm寬,也能承載高達(dá)3A的持續(xù)電流,因?yàn)樽呔€被加寬到了盡可能接近器件的實(shí)際寬度。
圖 1:加寬PCB走線
由于較窄走線所產(chǎn)生的熱量會(huì)傳導(dǎo)至較寬的鋪銅區(qū)域,所以窄走線的溫升可以忽略不計(jì)。
嵌在PCB內(nèi)層板中的走線散熱效果不如外層走線,因?yàn)榻^緣體的導(dǎo)熱效果不佳。正因?yàn)槿绱?,?nèi)層走線的寬度應(yīng)為外層走線的兩倍。
表1 大致給出了電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中長(zhǎng)走線(大于2cm)的推薦寬度。
表 1: PCB走線寬度
如果空間允許,越寬的走線或灌銅可以最大限度地降低溫升并能減小電壓落差。
熱過(guò)孔-越多越好!
過(guò)孔是一種小的鍍孔,通常用于將信號(hào)走線從一層傳遞到另一層。 顧名思義,熱過(guò)孔是將熱量從一層傳遞到另一層。適當(dāng)?shù)厥褂脽徇^(guò)孔可以有效幫助PCB散熱,但也需要考慮實(shí)際生產(chǎn)中的諸多問(wèn)題。
過(guò)孔具有熱阻,這就意味著每當(dāng)熱量流經(jīng)時(shí),過(guò)孔兩端會(huì)有一定溫差,其測(cè)量單位為攝氏度/每瓦特。所以,為最大限度地降低熱阻,提高過(guò)孔的散熱效率,過(guò)孔應(yīng)設(shè)計(jì)大一點(diǎn),且孔內(nèi)的覆銅面積越大越好(見(jiàn)圖2)。
圖 2:過(guò)孔橫截面
雖然可以在PCB的開(kāi)放區(qū)域使用大的過(guò)孔,但是,過(guò)孔常常被放在散熱焊盤(pán)的內(nèi)部,因?yàn)檫@樣可以直接從IC封裝散熱。在這種情況下,不可能使用大過(guò)孔,因?yàn)殡婂兛走^(guò)大會(huì)導(dǎo)致“滲錫”,其中用于連接IC至PCB的焊料會(huì)往下流入通孔,導(dǎo)致焊點(diǎn)不良。
有幾種方法可以減少“滲錫”。一種是使用非常小的過(guò)孔,以減少滲入孔內(nèi)的焊料。然而,過(guò)孔越小熱阻越高,因此想要達(dá)到相同的散熱性能,需要更多的小過(guò)孔才行。
另一種技術(shù)是“覆蓋”電路板背面的過(guò)孔。這需要去除背板上阻焊層的開(kāi)口,使得阻焊材料覆蓋過(guò)孔。阻焊層會(huì)蓋住小的過(guò)孔使焊錫無(wú)法滲入PCB。
但這又會(huì)帶來(lái)另一問(wèn)題:助焊劑滯留。如果使用阻焊層蓋住過(guò)孔,那么助焊劑會(huì)滯留在過(guò)孔內(nèi)部。有些助焊劑配方具有腐蝕性,長(zhǎng)時(shí)間不去除的話會(huì)影響芯片的可靠性。所幸大多數(shù)現(xiàn)代免清洗助焊劑工藝都是無(wú)腐蝕性的,不會(huì)引起問(wèn)題。
這里需注意,散熱孔本身不具備散熱功能,必須把它們直接連接至鋪銅區(qū)域(見(jiàn)圖3)。
圖 3:熱過(guò)孔
建議PCB設(shè)計(jì)師與PCB組裝廠的SMT制程工程師協(xié)商出最佳的過(guò)孔尺寸和構(gòu)造,尤其當(dāng)過(guò)孔位于散熱焊盤(pán)內(nèi)部時(shí)。
焊接散熱焊盤(pán)
TSSOP 和 QFN 封裝中,芯片底部會(huì)焊有大片散熱焊盤(pán)。這里的焊盤(pán)直接連到晶元的背面,為器件散熱。必須將焊盤(pán)很好地焊接到PCB上才能耗散功率。
IC規(guī)格書(shū)不一定會(huì)指定焊盤(pán)焊膏的開(kāi)口。通常,SMT制程工程師對(duì)放多少焊料,過(guò)孔模具使用什么樣的形狀都有自己的一套規(guī)則。
如果使用和焊盤(pán)大小一樣的開(kāi)口,則需要使用更多的焊料。當(dāng)焊料熔化時(shí),其張力會(huì)使器件表面鼓起。另外,還會(huì)引起焊料空洞(焊錫內(nèi)部凹洞或間隙)。當(dāng)焊料回流過(guò)程中助焊劑的揮發(fā)性物質(zhì)蒸發(fā)或沸騰時(shí),會(huì)發(fā)生焊料空洞。這會(huì)導(dǎo)致接合處的焊料析出。
為了解決這些問(wèn)題,對(duì)于面積大于約2mm2的焊盤(pán),焊膏通常沉積在幾個(gè)小的正方形或圓形區(qū)域中(見(jiàn)圖4)。將焊料分布在多個(gè)較小的區(qū)域里可以使助焊劑的揮發(fā)性物質(zhì)更容易揮發(fā)出來(lái),以免造成焊料析出。
圖 4:QFN 焊具
再次建議PCB設(shè)計(jì)師與SMT制程工程師共同協(xié)商出正確的散熱焊盤(pán)模具開(kāi)口。也可以參考網(wǎng)上的一些論文。
元件貼裝
電機(jī)驅(qū)動(dòng)IC的元件貼裝指南與其他電源IC相同。旁路電容應(yīng)盡可能靠近器件電源引腳放置,且旁邊需放置大容量電容。許多電機(jī)驅(qū)動(dòng)IC會(huì)使用自舉電容或充電泵電容,這些也應(yīng)放在IC附近。
請(qǐng)參考圖5中的元件貼裝示例。圖5顯示了MP6600步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的雙層板PCB布局。大部分信號(hào)走線直接布置在頂層。電源走線從大容量電容繞到旁路,并在底層使用多個(gè)過(guò)孔,在更換層的位置使用多個(gè)過(guò)孔。
圖5: MP6600 元件貼裝
在本文的下篇中,我們將探討詳細(xì)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)IC封裝方法和PCB布局。
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