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    电机驱动器PCB布局指南(第1部分)

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    电机驱动器PCB布局指南(第1部分)

    发布日期:2019-04-18 作者:驱动器 点击:

    电机驱动器PCB布局指南(第1部分)

    在第1部分中,我们将讨论设计使用电机驱动器IC的PCB的一些一般性建议,这些PCB需要特殊的冷却技术来处理功耗。

    印刷电路板(PCB)基板材料,如FR-4玻璃环氧树脂,是一种不良导热体。相反,铜是一种优良的导热体。因此,从热管理的角度来看,PCB上更多的铜区域是理想的。

    厚铜,如2盎司。箔(68微米厚),比较薄的铜传导热量更好。不幸的是,使用厚铜是昂贵的,并且难以实现精细的几何形状。因此,使用1盎司。 (34微米)铜已经司空见惯。对于外层,这通常是?盎司。镀铜高达1盎司。厚度。

    用于多层板内层的实心铜平面很好地散热。但是,由于这些平面通常放置在电路板堆叠的中心,因此热量可能会被困在电路板内部。在PCB的外层添加铜区域并放置许多过孔以将这些区域连接或“缝合”到内部平面有助于将热量传递出平面。

    在双层PCB上,由于存在迹线和组件,散热可能会更加困难。提供尽可能多的固体铜以及与电动机驱动器IC的良好热连接是必要的。将铜浇注在两个外层上并用许多过孔将它们缝合在一起有助于将热量散布在由痕迹和组件切割的区域上。

    跟踪宽度:更宽更好

    由于电机驱动器IC的输入和输出很大(在某些情况下超过10 A),因此请仔细考虑PCB走线的宽度。迹线越宽,电阻越低。必须确定迹线的大小,以便在走线电阻中不会消耗过多的功率,从而导致走线升温。太小的痕迹实际上可以像保险丝一样燃烧并打开!

    设计人员通常使用IPC-2221标准来确定合适的走线宽度。该规范的图表显示了各种电流水平的铜横截面积和允许的温升,可以在给定的铜层厚度下转换为走线宽度。例如,在1盎司中携带10 A电流的迹线。铜层需要宽度超过7毫米才能达到10°C的温升。对于1A电流,宽度仅需0.3毫米。

    鉴于这一事实,似乎无法通过微型IC焊盘运行10 A的电流。

    重要的是要了解IPC-2221中的迹线宽度建议适用于恒定宽度的长PCB走线。 如果它们连接到较大的迹线或铜区域,则可以通过较短的PCB走线段传递更大的电流而不会产生任何不良影响。 这是因为短而窄的PCB走线的电阻很小,并且在那里产生的任何热量将被吸入更宽的铜区域,这些区域充当散热器。

    1. PCB走线加宽,使焊盘可以更好地处理连续电流。

    例如,请参考图1.尽管该器件的焊盘宽度仅为0.4 mm,但它们必须承受高达3 A的连续电流。迹线被加宽到尽可能宽的宽度,并且尽可能靠近设备。

    在迹线的窄部分中产生的任何热量被传导到较宽的铜区域,使得窄迹线中的温度升高可忽略不计。

    嵌入PCB内层的迹线不能散热以及外层上的迹线,因为绝缘衬底不能很好地传导热量。因此,内层迹线的宽度应设计为外层的两倍。

    作为一个粗略的准则,该表显示了在电机驱动器应用中长迹线(超过~2 cm)的推荐走线宽度。

    如果空间允许,使用更宽的走线或铜浇注进行布线将最大限度地降低温升和电压降。

    散热过孔:尽可能多地使用

    通孔是小电镀孔,通常用于将信号迹线从一层传输到另一层。热通孔以相同的方式制造,而是将热量从一层传递到另一层。正确使用散热孔对于PCB上的散热至关重要,但必须考虑几个可制造性问题。

    过孔具有热阻,这意味着当热量流过时,它们的温度会有一些下降,以每摄氏度摄氏度为单位。为了使这种电阻最小化并使通孔在传热方面更有效,通孔应尽可能大,孔内尽可能多的铜面积(图2)。

    2.过孔(显示为通孔的横截面)应该很大并且在孔内包含尽可能多的铜以最小化热阻。

    虽然可以在PCB的开放区域中使用大通孔,但是通常将通孔放置在焊盘区域中以直接从IC封装移动热量。在这种情况下,不可能使用大通孔。这是因为大的电镀孔会导致“焊料芯吸”,其中用于将IC连接到PCB的焊料向下流入通孔,导致焊点不良。

    有几种方法可以减少焊料芯吸。一种是使用非常小的通孔,使得芯吸到孔中的焊料量很小。然而,小通孔具有更高的热阻,因此需要更多通孔来实现相同的热性能。

    使用的另一种技术是“固定”电路板背面的过孔。这涉及去除背面上的焊接掩模中的开口,使得焊接掩模材料覆盖通孔。如果通孔很小,焊接掩模将堵塞通孔;因此,焊料不能通过PCB芯吸。

    不幸的是,这也可能产生一个不同的问题:助焊剂陷阱。使用堵塞的通孔,助焊剂(焊膏的一个组成部分)可能会被困在通孔内。一些焊剂配方可能具有腐蚀性,如果不去除,会导致可靠性问题。幸运的是,大多数现代免清洗助焊剂工艺都是无腐蚀性的,不会造成问题。

    请注意,散热孔不应具有热释放。它们必须直接连接到铜区域(图3)。

    3.散热通孔应直接连接到PCB上的铜区域。

    建议PCB设计人员与PCB组装商的表面贴装技术(SMT)工艺工程师协商,为该组装工艺选择最佳的通孔尺寸和结构,特别是当热通孔放置在焊盘区域内时。

    焊接外露焊盘

    TSSOP和QFN封装在器件下方有一个大的裸露焊盘。该焊盘连接到管芯的背面,用于从器件移除热量。必须将此焊盘良好焊接到PCB以耗散功率。

    ??橹杏糜谖撕概坛粱父嗟目诓⒉蛔苁窃贗C数据表中指定。通常,SMT工艺工程师对于应该沉积多少焊料以及应该在模板上使用何种模式有自己的规则。

    如果使用与焊盘尺寸相似的单个开口,则沉积大量焊膏。这可能导致器件在熔化时由于焊料的表面张力而被抬起。另一个问题是焊料空洞(焊料区域内的空腔或间隙)。当焊料回流过程中助焊剂的挥发性组分蒸发或沸腾时,会发生焊料空洞。这可能导致焊料被推出接头。

    4.这种用于QFN封装的焊接模板显示出四个小开口,用于在中心焊盘上沉积焊膏。

    为了解决这些问题,对于大于约2mm2的焊盘,焊膏通常沉积在几个小的正方形或圆形区域中。将浆料分成较小的区域允许挥发性助焊剂组分更容易地从浆料中逸出而不会使焊料移位。

    同样,建议PCB设计人员咨询SMT工艺工程师,为这些焊盘设计正确的模板开口。在线提供了大量可以帮助完成此步骤的论文。

    组件放置

    电机驱动器IC的元件放置指南与其他类型的电源IC类似。旁路电容应尽可能靠近器件电源引脚放置,附近有大容量电容。许多电机驱动器IC使用自举和/或电荷泵电容器,它们也应放置在IC附近。

    5.这是在双层PCB上放置良好元件的示例,其中包括MP6600步进电机驱动器。

    有关良好元件放置的示例,请参见图5。它在双层PCB上显示了MP6600步进电机驱动器。大多数信号直接在顶层路由。电源从大容量电容器路由到旁路,并在底层使用多个过孔,在更换层的位置使用多个过孔。

    在本文的第二部分中,我们将介绍一些特定的电机驱动器IC封装以及如何使用它们实现PCB布局。

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