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高密度 PCB 的散热问题研究和射频注意事项

2022-04-18 11:38:31 Bill Schweber 阅读:
PCB版日益精密,而且尺寸也在不断的缩小,所以关于PCB板的走线和过孔都是非常重要的,文提及到能实现这方面的内容学习的书籍,里面涉及到PCB板的走线,电磁学,电感的基础等等..

很久以前,在较低频率和离散点对点布线的“旧时代”,构建物理电路最需要的是原理图、完整的 BOM,也许还有在构建之前完成的相关装配图。 就是这样。 基本原理图显示了电路组件之间的互连,并且经常有一些有用的注释,例如“不要将组件 x 靠近组件 y”。 构建的电路存在布线和线束问题,这些问题是有形的和直接的。YmHednc

那些日子已经一去不复返了,PCB现在在我们的世界中非常重要。这些 PCB 的范围从低端消费产品的廉价、单面、冲孔酚醛板到具有多层、细走线、紧密走线间距和层间无数通孔的电路板。 在这里值得一提的是:VIA(过孔)代表了垂直互连接入(vertical interconnect access)。如果没有这些密集的电路板及其功能,我们就会陷入困境当中。 更小的元器件往往会导致更紧凑的电路板,相反更紧凑的电路板也会支持更小的元器件。所以现在很常见的是无源和有源组件的侧面尺寸约为几毫米甚至更小。YmHednc

PCB散热问题

这些高密度 PCB 存在严重的热和射频问题。幸运的是,有可用的帮助。我最近看到一本新书:“PCB Design Guide to Via and Trace Currents and Temperatures”-过孔和走线电流和温度的 PCB 设计指南,作者是 Douglas Brooks 和 Johannes Adam(Artech House,ISBN 978-1-63081-860-9) .这本书详细的讲解了有关 PCB 走线和布局相关的热问题,封面如图1。YmHednc

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图1:书的封面:都是关于 PCB 走线和过孔的。 (资料来源:Artech House)YmHednc

在本书涵盖了很多的问题,包括敏感性分析,展示了当操作环境发生变化时会发生什么。这包括对相邻迹线和平面的影响、不断变化的迹线长度和热梯度的存在,以及熔断问题和过载迹线的后果。它还研究了众所周知的跨迹线和过孔的压降影响、直角拐角周围的热效应以及如何覆盖频率效应。YmHednc

PCB 走线“熔断”问题引起了个人共鸣。许多年前,在开展一个项目时,我们有用于承载 10 A 的DC 轨道的电路板走线,除了在一个小地方外,它们的尺寸对于该电流来说是保守的。电路板设计师/布局人员手动将走线“缩”成几毫米的细毛,因此它可以“偷偷摸摸”更大的组件。几个月后,我们的直流轨道配电树出现随机现场故障。YmHednc

总体来说就是:由于电流水平和持续时间、操作环境和其他因素的不同,由于现场的 I2R 耗散和随机时间打开,那一小条走线充当了保险丝。 这花了一段时间来缩小和走线(追踪)问题。 幸运的是,返工修复很容易:用一根小跳线与变薄的走线,平行焊接到板上,完美解决了问题。YmHednc

PCB 上的射频问题

当然,PCB 不仅仅是承载 DC 的走线和平面;还有一个射频世界,其时钟和频率跨越数百兆赫和千兆赫。具有讽刺意味的是,RF 和 DC 世界确实重叠,因为各种类型的寄生效应和电流路径直接影响 RF 性能并使模型复杂化,而这种情况的忠实模型具有挑战性。YmHednc

恰逢这本书,我看到了一个 PPt 演示文稿,其标题是 IBM 杰出工程师和 IEEE 研究员 Bruce Archambeault 博士写的 “The ‘Ground’Myth” (“地”神话)。尽管因为它 的日期是2007年,可能看起来很古老,但这个非常易读、清晰且插图精美的演示文稿的展示却是不过时的,并且在今天尤其重要。尽管它有 105 张幻灯片的长度,但它从来不会让人感到不知所措,因为它简单而不简单。网上有许多类似的演示文稿,形式各异,长度各异,这是我读过的众多演示文稿中最好的之一。YmHednc

五个主要部分——电磁学、趋肤效应、电感、接地和返回电流路径——中的每一个都有足够的背景和理论来满足所需的上下文,并有实用的解释和清晰、信息丰富和巧妙的插图。甚至还有一些善意的幽默,这对于这个话题来说并不容易。有些点很明显,但值得重复,有些则不太明显(图 2)。YmHednc

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图 2 简单的电流图清楚地提醒了由于设计和开发过程的压力而被忽视的基本规则。 (图片来源:Bruce Archambeault)YmHednc

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我发现这两个资源特别有趣的是它们不涉及复杂的分析、深度物理或密集的数学。这本书和PPT演示文稿都体现了“回归基础”的观点,并扩大了对基础的重述和提醒,产生了设计师在“纸上”设计变得切实时需要注意的更新观点。YmHednc

除了很容易陷入高阶场方程和微分方程,对于固态工程,IR 压降、I2R 耗散、热基本原理、阻抗和电流路径的基础都很重要,这些因素决定了良好、可靠的设计与边缘或更糟的设计之间的区别。毕竟,对于一个执行良好的产品来说,一个完美的原理图和无错误的软件——或者至少是没有错误的软件——是必要的,但还不够。YmHednc

您是否曾发现 PCB 走线尺寸和热问题或 DC 和 RF 返回电流等基础知识是验证设计的最大“难题”?您是否很早就意识到了挑战,但难以说服其他人相信存在问题的可能性?YmHednc

 YmHednc

原文发表于ASPENCORE旗下EDN姐妹媒体planetanalog,参考链接:https://www.planetanalog.com/no-place-to-hide-from-pcb-thermal-and-rf-considerations/?_gl=1*13w0raw*_ga*OTQ1MDMzMDQ5LjE2MzAwMjkwNDc.*_ga_ZLV02RYCZ8*MTY0OTc0MjUyMS4xLjEuMTY0OTc0NTkwMy4w&_ga=2.9415413.1108189585.1649742538-945033049.1630029047 ,YmHednc

By Bill Schweber,编译:Bowen Tan。YmHednc

责编:Bowentan
Bill Schweber
EE Times/EDN/Planet Analog资深技术编辑。Bill Schweber是一名电子工程师,他撰写了三本关于电子通信系统的教科书,以及数百篇技术文章、意见专栏和产品功能介绍。在过去的职业生涯中,他曾担任多个EE Times子网站的网站管理者以及EDN执行编辑和模拟技术编辑。他在ADI公司负责营销传播工作,因此他在技术公关职能的两个方面都很有经验,既能向媒体展示公司产品、故事和信息,也能作为这些信息的接收者。在担任ADI的marcom职位之前,Bill曾是一名备受尊敬的技术期刊副主编,并曾在其产品营销和应用工程团队工作。在担任这些职务之前,他曾在英斯特朗公司(Instron Corp., )实操模拟和电源电路设计以及用于材料测试机器控制的系统集成。他拥有哥伦比亚大学电子工程学士学位和马萨诸塞大学电子工程硕士学位,是注册专业工程师,并持有高级业余无线电执照。他还在计划编写和介绍了各种工程主题的在线课程,包括MOSFET基础知识,ADC选择和驱动LED。
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