讓PCB散熱和RF問題無所遁形

作者 : Bill Schweber,EE Times/EDN/Planet Analog資深技術編輯

PCB正「主宰」著我們的世界。如果少了這些密集的電路板及其功能,往往就會陷入設計困境中,但這些高密度PCB存在嚴重的熱和射頻(RF)問題…

很久以前,在較低頻率和離散式點對點佈線的「舊時代」,建構實體電路最需要的是原理圖、完整的BOM,也許再加上建構之前完成的相關組裝圖。就只是這些。 基本原理圖顯示了電路元件之間的互連,並且經常有一些有用的註解,例如「不要將元件x置於靠近元件y處」。建構的電路存在佈線和線束問題,這些問題是有形的且直接的。

但那些日子已經一去不復返了,PCB現在可說是「主宰」著我們的世界。 這些PCB範圍廣泛,從低成本、單面、沖孔酚醛板的低階消費產品,到具有多層、細走線、緊密走線間距和層間無數通孔的電路板等。在此值得一提的是,‘via ’代表垂直互連存取,但最近很少明確解釋這個了。

如果少了這些密集的電路板及其功能,往往就會陷入困境中。更小的元件往往導致更緊湊的電路板,而更緊湊的電路板則支援更小的元件。所以現在很常見的是主動元件和被動元件的側面尺寸約僅幾毫米甚至更小。

圖1:這本書的主題直截了當地指明:關於PCB走線和過孔的一切。(資料來源:Artech House)

PCB散熱問題

這些高密度PCB存在嚴重的熱和射頻(RF)問題。值得慶幸的是,目前已有可用的解決之道了。我最近讀了一本新書:《過孔和走線電流與溫度的PCB設計指南》(PCB Design Guide to Via and Trace Currents and Temperatures),作者是Douglas Brooks和Johannes Adam (Artech House,ISBN 978-1-63081-860-9)。這本書詳細講解了有關PCB走線和佈局相關的熱問題,如1

這本書並不僅僅介紹基礎知識,甚至可能會在無意中讓電路板設計師的心中留下陰影。 如果您對於與PCB 走線相關的熱問題有所瞭解,但都離不開業界重要的指南《IPC-2152:確定印PCB設計中電流承載能力的標準》(IPC-2152: Standard for Determining Current Carrying Capacity in Printed Board Design),那麼您可能需要更進一步的瞭解,因為該標準只是冰山一角。

這本書中涵蓋了很多的問題,包括敏感性分析,展示當操作環境發生變化時會發生什麼,包括對相鄰走線和平面的影響、不斷變化的走線長度和熱梯度的存在,以及熔斷問題和超載走線的後果等。書中還研究了眾所周知的跨走線和過孔的壓降影響、直角拐角周圍的熱效應以及如何覆蓋頻率效應。

PCB 走線「熔斷」問題引起了我個人共鳴。許多年前在展開一項專案時,我們曾經著手承載10A DC軌的電路板走線,除了一個小地方外,這些走線的尺寸對於該電流來說相當保守。因此,電路板設計師/佈局人員手動將走線「縮減」至約幾毫米的細毛,使其足以「偷偷」地隱藏於更大元件的周圍。就在幾個月後,我們的DC軌配電樹出現了隨機現場故障。

長話短說:根據電流位準和持續時間、操作環境和其他因素,由於現場的I2R 耗散和隨機時間開啟,那一小條銀走線充當了保險絲。我們花了一段時間縮小問題的範圍才追蹤到問題所在。所幸重新設計和修復很容易:只需要一根小跳線與薄走線平行焊接到板上,即完全解決了問題。

PCBRF問題

當然,PCB不僅僅是承載 DC 的走線和平面;還有另一個RF世界,其時脈和頻率跨越數百MHz和GHz。諷刺的是,RF 和 DC 世界確實重疊,因為各種類型的寄生效應和電流路徑直接影響 RF 性能並使模型複雜化,而在這種情況下要忠實呈現極其具有挑戰性。

在這本書中,我剛好看到了由IBM傑出工程師暨 IEEE 研究員 Bruce Archambeault發表的PowerPoint簡報,其標題是:《接地的迷思》(The ‘Ground’ Myth)。儘管由於其發表於2007 年,這一時間點似乎感覺起來很古老,但它極其易讀、清晰且插圖精美的簡報展示所帶來的經驗教訓仍經得起時間的考驗,而且時至今日還特別重要。儘管它有105張簡報資料,但一點也不會讓人感到難以承受,因為它簡單而不過於單調。網路上可能有許多類似的簡報資料,形式與長度各不相同,但這是我看過眾多最佳簡報資料之一。

其中包括五個主要部份——電磁學、趨膚效應、電感、接地和返回電流路徑,每一部份都有足夠的背景和理論來滿足所需的情境架構,並且配有實用的解釋和清晰、資訊豐富及巧妙的插圖。甚至還有一些善意的幽默,對於這個話題來說實屬不易。有些重點很明確,但值得重覆地強調,有些則不太明顯(2)。

2:簡單的電流圖清楚地提醒了由於設計和開發過程的壓力而被忽略的基本規則。(圖片來源:Bruce Archambeault)

我發現這兩項資源特別有趣之處在於它們並不涉及複雜的分析、深度物理或密集的數學。這本書和PowerPoint簡報資料都展現了「回歸基礎」的觀點,並延伸對於基礎知識的重述和提醒,讓設計人員在「紙上」設計時掌握到必須注意的更新觀點。

我們可能很容易陷入高階場和差分方程式,但對於更踏實的工程,如IR 壓降、I2R 耗散、熱基本原理、阻抗和電流路徑等基礎格外重要,這些因素決定了理想且可靠的設計與另一設計之間的區別是邊緣或更糟。畢竟,對於一個執行良好的產品來說,一個完美的原理圖和無錯誤的軟體——或者至少是較少錯誤的軟體——是必要的,但還不夠。

您是否曾經發現PCB走線尺寸和熱問題或DC和RF返回電流等基礎知識是驗證設計的最大「難題」?您是否很早就意識到了這些挑戰,但難以說服其他人相信其中存在問題的可能性?

(參考原文:No place to hide from PCB thermal and RF considerations,by Bill Schweber )

本文原刊登於EDN China網站,Bowentan編譯

加入LINE@,最新消息一手掌握!

發表評論