在本篇文章中，我們將討論使用電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 IC 設(shè)計(jì) PCB 的一些一般性建議。此類 PCB 需要采用特殊的冷卻技術(shù)，以解決功耗問(wèn)題。

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

厚銅箔（例如：2 盎司（68 微米厚））的導(dǎo)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(shí)現(xiàn)精細(xì)的幾何形狀。因此，使用 1 盎司（34 微米）銅箔變得很常見(jiàn)。外層通常使用? 盎司到1 盎司的銅箔。

多層電路板內(nèi)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(huì)聚集在電路板內(nèi)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(nèi)層，有助于將熱量轉(zhuǎn)移到內(nèi)層外部。

由于存在走線和元件，雙層 PCB 的散熱可能會(huì)更加困難。因此，盡可能多地提供固體銅面，并實(shí)現(xiàn)與電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 IC 的良好熱連接顯得非常必要。在兩個(gè)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。

由于電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 IC 的進(jìn)出電流較大（在一些情況下超過(guò) 10 A），因此應(yīng)謹(jǐn)慎考慮進(jìn)出器件的 PCB 走線寬度。走線越寬，電阻越低。必須調(diào)整走線尺寸，以使走線電阻不會(huì)消耗過(guò)多功率，避免導(dǎo)致走線升溫。太小的走線其實(shí)可以作為電熔絲，并且容易燒斷！

設(shè)計(jì)師通常使用 IPC-2221 標(biāo)準(zhǔn)來(lái)確定適當(dāng)?shù)淖呔€寬度。這一規(guī)范針對(duì)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(yīng)圖表，可轉(zhuǎn)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(shí)現(xiàn) 10℃的溫升。針對(duì) 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(guò)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(zhǎng)距離 PCB 走線。如果采用更短的PCB 走線也有可能通過(guò)更大得多的電流，且不會(huì)產(chǎn)生任何不良作用。這是因?yàn)槎潭?PCB 走線電阻較小，且產(chǎn)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

筆記一

Note1

加寬 PCB 走線，

以使 IC 板能夠更好地處理持續(xù)電流。

參見(jiàn)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(dá) 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(chǎn)生的任何熱量被傳導(dǎo)至較寬的銅區(qū)域，以使較窄走線的溫升可以忽略不計(jì)。

嵌入在 PCB 內(nèi)層的走線無(wú)法像外層的走線一樣充分散熱，因?yàn)榻^緣基板的導(dǎo)熱性不佳。為此，內(nèi)層走線應(yīng)設(shè)計(jì)為外層走線的約兩倍寬。

作為一個(gè)大致的指導(dǎo)方針，下表顯示了電機(jī)驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用中較長(zhǎng)走線（超過(guò)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(dá)到最低。

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(dāng)使用熱通孔對(duì)于 PCB 的散熱至關(guān)重要，但是必須考慮幾個(gè)工藝性問(wèn)題。

通孔具有熱阻，這意味著當(dāng)熱量流過(guò)通孔時(shí)，通孔之間會(huì)出現(xiàn)一些溫降，測(cè)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(shí)的效率，應(yīng)使用大通孔，且孔內(nèi)應(yīng)含有盡可能多的銅面積（圖 2）。

圖 2

筆記二

Note2

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

盡管在 PCB 的開(kāi)口區(qū)域可以使用大通孔，但通孔往往置于 IC 板區(qū)域內(nèi)，以直接從 IC 封裝中轉(zhuǎn)移熱量。在這種情況下，無(wú)法使用大通孔。這是因?yàn)榇笮偷碾婂兺卓赡軙?huì)導(dǎo)致“滲錫”，即用于連接 IC 與 PCB 的焊料向下流入通孔中，從而導(dǎo)致焊接點(diǎn)質(zhì)量不佳。

可以通過(guò)幾種方式來(lái)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(shí)現(xiàn)相同的熱力性能，需要更多的通孔。

另一種技術(shù)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(wú)法滲透 PCB。

不過(guò)，這可能會(huì)產(chǎn)生另外一個(gè)問(wèn)題：焊劑聚集。通孔被塞住后，通孔中可能會(huì)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(shí)間一長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致可靠性問(wèn)題。不過(guò)，現(xiàn)代大多數(shù)免清洗焊劑工藝不具有腐蝕性，且不會(huì)導(dǎo)致問(wèn)題。

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

圖 3

筆記三

Note3

熱通孔應(yīng)直接連接PCB上的銅區(qū)域。

建議 PCB 設(shè)計(jì)人員與表面貼裝技術(shù) (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(jié)構(gòu)，尤其是當(dāng)熱通孔置于 IC 板區(qū)域內(nèi)時(shí)。

TSSOP 和 QFN 封裝的器件底層有一個(gè)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(kāi)口并不一定會(huì)在 IC 數(shù)據(jù)表中詳細(xì)說(shuō)明。通常，SMT 工藝工程師對(duì)模具上應(yīng)沉積多少焊料以及模具應(yīng)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(gè)開(kāi)口，則會(huì)沉積大量焊膏。這樣可能會(huì)因焊料熔化時(shí)的表面張力而導(dǎo)致器件被抬起。另一個(gè)問(wèn)題是焊料空洞（焊料區(qū)域內(nèi)的空腔或缺口）。在回流焊過(guò)程中，焊劑的揮發(fā)性成分蒸發(fā)或沸騰時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)焊料空洞。這可能會(huì)導(dǎo)致焊料被推出焊接點(diǎn)。

圖 4

為解決這些問(wèn)題，針對(duì)面積大于約 2 平方毫米的 IC 板，焊膏通常沉積在幾個(gè)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(huì)使焊料移位。

筆記四

Note4

QFN封裝的該焊料模有四個(gè)小開(kāi)口，用于沉積中央IC板上的焊膏。

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

電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(yīng)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(jī)驅(qū)動(dòng)器 IC 使用引導(dǎo)和/或電荷泵電容器，其同樣應(yīng)置于 IC 附近。

以下舉例說(shuō)明了包含MPS公司產(chǎn)品的雙層PCB上的良好元件布局。

圖 5

參見(jiàn)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(chǎn)品---步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的元件布局。

大多數(shù)信號(hào)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(shí)在各層過(guò)渡之處使用多個(gè)通孔。