高压大电流电源产品 Layout 知识点总结

时间:2019-04-10 09:14来源:21Dianyuan

摘要:Layout在很多人看来就是一个拉线工,干苦力的。但是我接触几个案子之后,发现Layout其实也没有想象中的那么简单。

* 本文为 21Dianyuan 社区 原创技术文章,作者清风慕竹
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专职做 Layout 快一年半了,陆陆续续参与了公司的几个项目,从几十瓦到一百多千瓦,学习了许多,也成长了许多,正好21世纪电源网举办这个活动,对自己的工作做个总结!
 
Layout 在很多人看来就是一个拉线工,干苦力的。但是我接触几个案子之后,发现 Layout 其实也没有想象中的那么简单。
 
画 PCB 之前,首先要拿到以下东西:
① 从硬件工程师手中拿到原理图文件
② 从结构工程师手中拿到结构图 (DXF 文件)
③ 从安规认证工程师手中拿到电气间隙和爬电距离标准
④ 了解 PCB 厂、SMT、DIP 生产工艺

画完 PCB 之后,要输出 PCB 原文件,Gerber 文件,Pick Place 文件。
 
一、关于 PCB 板厂、SMT、DIP 生产工艺
我想从我最近遇到的问题开始讲起!也就是第四点,关于 PCB 板厂、SMT、DIP 生产工艺!
 
走高压,大电流功率板 PCB 要求板厂层间绝缘距离0.4mm(层间指的是 PCB 板层叠,层与层,特别是第三层与第四层,板厚 2mm,四层),可承受 2kV 的耐压是怎么来的?和系统的电压到底有没有关系?我司产品的系统工作电压是 600V,1000V,1500V。
 
因为我司产品的 PCB 只要求层间绝缘间距 0.2mm,虽然已经让 PCB 板厂去做耐压测试,但是我想知道这到底是安规要求,还是只是功能绝缘就行?

经过多方面询问,发现很多产品都要求 0.4mm 的间距,比如 OBC,变频器!

还有一个问题就是 PCB 板内层走线的绝缘距离要小于顶层和底层,依据出自哪里?
 
先从 PCB 的标准说起:
• IPC-A-600,印制板的可接受性,IPC-A-600 可以查到铜厚的要求,比如内层 2oz 的实际完成铜厚是大于等于 55.7um ;
• IPC-2221,印制版设计通用标准,IPC-2221 可以查到 PCB 板上导线的载流能力;
• UL796,印制线路板,美标;
 
我接触到的 PCB 大概有四种类型:功率板 IGBT,控制板 DSP,液晶板 ARM,监控板 GRPS,WIFI 板。主要以四层板为主,不像 OBC 由于体积的限制,要做 6 层的 PCB。还有就是带 FPGA+DSP 的三核控制板,要做 6 层板,当然这种六层板我没有见过,欢迎大神科普层叠结构。

功率板 IGBT,高压大电流,四层板,做 2mm 板厚,值得注意的就是要根据电流大小要规定铜厚的大小,比如内层 1OZ,表层 2OZ。

控制板 DSP,液晶板 ARM,四层板。做 1.6mm 板厚值得注意的就是 GND 和 VCC 平面的选取,一般第二层是 GND,第三层是 VCC,这个是有讲究的。专家说,这样的层叠构成板间大电容,铜箔低电感,低电阻,同时多层板的这种结构对第一层和第四层所产生的辐射骚扰有一定的抑制作用。
 
 
 
监控板 GRPS,WIFI 板,四层板,值得注意的就是要做沉金,因为有金手指工艺;还有一个重要的地方就是天线的走线要做 50 欧姆的阻抗匹配 (说到阻抗匹配有专门的计算软件 Polar SI9000,这个没必要自己算,直接丢给板厂就好了)。
 
分析
就算你按照目标特性阻抗要求,精心计算了对应的线宽线距和层叠结构,并严格按照该线宽要求来布线,将制板要求和制板文件发给板厂,结果可能并不理想。

因为你的叠层结构和要求控制的阻抗线宽、线距到了板厂那里,板厂还需要进行重新计算并结合自身的材料和工艺情况进行补偿和调整,即使是已经量程并验证过的 PCB,如果换了新的板厂生产,也可能面临着需要进行线宽、线距和层叠结构的调整。
(摘自吴川斌的博客)
 
PCB 板上的两条导线的电气间隙和爬电距离介绍过了,然后就是功能绝缘。通常电压按照 200V/mm 计算就可以;如果是交流电压先算出峰值,然后再按照 200V/mm 来计算。

PCB 板上导线的宽度,有说内层 1oz 铜厚,1mm 线宽可以通过 1A 电流;也有说外层 1oz 铜厚,1mm 线宽可以通过 1A 电流。实际上,在使用时都会留有很大的裕量,一般走电流的电源线都会很粗。值得注意的是内层的载流能力没有表层好,因为外层可以二次电镀铜来加厚 (导线的载流能力跟铜厚,温升,内外层有关),所以一般折半来算载流能力。

PCB 板上的过孔能过多大的电流?
有说 0.5mm 走 1A 电流,也有说 1mm 走 1A 电流,网上也有具体的计算公式。我觉得使用应留有很大的裕量。一般涉及到过孔走电流,肯定是电源线,走大电流的时候我一般会多打几个过孔。过孔的载流能力跟过孔的孔径,孔壁铜厚(一般 20-25um)和温升有关。
 
二、常用软件及重要参数
先推荐几个常用的小软件:ProPCB,PCBTEMP,也有在线计算的工具,比如 EDA365。
 
然后再介绍 PCB 板的其他几个重要参数:

①  TG 值
简单一点说就是 PCB 板的温度。比如 TG150,即  PCB 板能承受 150℃ 的温度。值得一提的是, 我们 60kw 逆变器的功率板原来使用的是 TG130 的,后来由于温升问题都切换成 TG150 。
 
制作 PCB 的过程中有一个工艺烘烤很重要。烘烤的时间不够,可能会导致 PCB 板发黄;当然 PCB 发黄也是由于温升的原因。我们主要是继电器,也可能是导线的宽度不够,器件之间的距离不够导致的。

② CTI 值
相对漏电起痕指数在 FR-4 的板材中通常取 175,这个值可以影响爬电距离。比如在 1500V 的系统中,欧标爬电距离的加强绝缘要到 30mm,如果提高 CTI,可以降低爬电距离的要求。
 
③ 芯板 FR4  
我们经常指的 “FR-4” 是一种耐燃材料等级的代号,它所代表的意思是树脂材料经过燃烧状态必须能够自行熄灭的一种材料规格,它不是一种材料名称,而是一种材料等级,因此目前一般电路板所用的 FR-4 等级材料就有非常多的种类,但是多数都是以所谓的四功能的环氧树脂加上填充剂以及玻璃纤维所做出的复合材料。

④  PP 半固化片
半固化片一般由纤维增强材料浸渍热固性树脂后固化为 B 阶的片状材料,也称为粘结片、PP。常见半固化片类型:106、1080 、2313、3313、2116、7628 。

半固化片有很多种表面处理方式:沉锡、沉银、OSP (防氧化)、化学沉金 (ENIG)、电镀金等。每一种处理 PCB 表面处理方式都有不同的应用场景,高端数字电源里面一般常用的是无铅喷锡,见过大厂在 PCB 板上加上无铅的标识。还有就是 GPRS 通讯板用到了沉金工艺。

⑤ 阻燃等级 + UL 标识 + 板厂的 LOGO 
UL94 V-0 是 PCB 的阻燃级别。PCB 阻燃等级由 HB、V-2、V-1、向 V-0 逐级递增,一般 PCB 都是选择最高阻燃级别 UL94 V-0。

一般都会要求在 PCB 板上印上厂家的 UL 标识+厂家的 LOGO。


 

这里科普一个小技巧,我感觉是很实用的一个干货,就是可以通过印在 PCB 板上的 UL 标识可以查到 PCB 板厂。

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