Garis Panduan Komprehensif untuk Reka Bentuk, Bahan dan Komponen dalam PCB Elektronik Kuasa Berprestasi Tinggi

Papan litar bercetak (PCB) elektronik kuasa memainkan peranan penting dalam aplikasi kritikal misi seperti kenderaan elektrik (EV), sistem tenaga boleh diperbaharui, jentera industri dan peranti perubatan. PCB ini mesti mengendalikan voltan berlebihan, arus tinggi dan beban terma yang keras sambil memastikan kebolehpercayaan, keselamatan dan pematuhan kepada piawaian antarabangsa.

Berbanding dengan PCB standard, papan elektronik kuasa menghadapi cabaran unik: haba berlebihan daripada kehilangan rintangan, gangguan elektromagnet (EMI) daripada pensuisan frekuensi tinggi, serta risiko percikan elektrik atau degradasi komponen dalam aplikasi tenaga tinggi. Pembangunan PCB elektronik kuasa yang teguh memerlukan pendekatan reka bentuk hujung ke hujung, merangkumi pengoptimuman susun atur, sains bahan, pemilihan komponen, pengurusan terma, dan pematuhan peraturan. Panduan ini menggabungkan kepakaran kejuruteraan PCBCart dan amalan terbaik industri untuk menyediakan rangka kerja kukuh bagi mereka bentuk PCB elektronik kuasa yang berprestasi tinggi, selamat dan teguh.

1. Cabaran Utama dalam PCB Elektronik Kuasa

PCB elektronik kuasa melibatkan persilangan antara prestasi elektrik dan terma, di mana kesilapan reka bentuk kecil sekalipun boleh membawa kepada kegagalan yang ketara. Cabaran utama adalah seperti berikut:

· Ketumpatan Kuasa TinggiKomponen seperti penukar voltan, MOSFET dan IGBT mengendalikan arus melebihi 10 A dan voltan antara ratusan hingga ribuan volt, menghasilkan haba yang ketara melalui kehilangan I²R. Pelesapan haba yang cekap adalah penting untuk mengelakkan kemerosotan komponen.

· EMI dan Keutuhan Isyarat: Kadar pensuisan tinggi penukar AC/DC menghasilkan gelung di/dt (arus berbanding masa) yang tinggi, yang memancarkan dan mengalirkan EMI. Gangguan ini boleh mengganggu litar analog sensitif (cth., penderia) atau melanggar keperluan peraturan (cth., FCC Bahagian 15, CISPR).

· Tekanan Haba: Ketidakpadanan dalam pekali pengembangan terma (CTE) antara bahan PCB dan komponen menyebabkan pengelupasan, keretakan sambungan pateri, atau kegagalan struktur akibat kitaran suhu.

· Risiko Keselamatan: Nod voltan tinggi menimbulkan bahaya renjatan elektrik atau arka, memerlukan penebatan ketat (jarak pengasingan/jarak merayap) dan komponen perlindungan (fius, diod TVS).

· Had BahanBahan PCB standard seperti FR-4 tidak mempunyai kekonduksian terma dan ketahanan voltan yang diperlukan untuk aplikasi berkuasa tinggi, sekali gus memerlukan penggunaan substrat khusus (contohnya seramik, laminat PTFE).

PCBCart menangani cabaran ini dengan alat reka bentuk tersuai (contohnya, kalkulator lebar jejak, alat simulasi EMI) dan panduan reka bentuk, membantu jurutera meminimumkan risiko pada peringkat awal fasa pembangunan.

2. Kaedah Reka Bentuk untuk Susun Atur Teras PCB Elektronik Kuasa

Reka letak adalah asas kepada PCB elektronik kuasa yang boleh dipercayai, kerana ia secara langsung mempengaruhi pengagihan haba, EMI dan integriti kuasa. Kaedah berikut menggabungkan tiga perspektif industri untuk mencapai prestasi optimum.

2.1 Penempatan Komponen Strategik

Penempatan komponen menentukan titik panas terma, panjang jejak, dan gandingan EMI, menjadikannya keutamaan utama dalam reka bentuk susun atur. Garis panduan utama termasuk:

· Utamakan Komponen Berkuasa Tinggi: Letakkan komponen arus tinggi (contohnya penukar voltan, transistor kuasa, penerus) di bahagian dalam papan (bukan di tepi papan) untuk mengelakkan tekanan mekanikal dan membolehkan capaian kepada struktur pelesapan haba. Pastikan jejak yang berkaitan dengannya cukup lebar untuk menampung arus berpenarafan (rujuk Seksyen 2.2 untuk lebar jejak).

· Asingkan Sumber Haba: Letakkan elemen penjana haba (cth., MOSFET kuasa, diod, pengawal selia linear) berhampiran pelesap haba, via terma, atau satah kuprum yang besar untuk memudahkan pelesapan haba. Elakkan mengumpulkan komponen ini (bagi mengelakkan titik panas setempat); gunakan susunan linear yang diedarkan untuk penyebaran haba yang seragam.

· Memusatkan Komponen DigitalKomponen digital bersepadu tinggi (cth. mikropengawal, FPGA) menghasilkan haba sederhana dan harus diletakkan di bahagian tengah PCB. Kedudukan ini mengimbangi penyingkiran haba dan mengurangkan gandingan terma kepada litar analog sensitif (cth. penderia arus).

· Minimumkan Panjang Laluan Kuasa: Kumpulkan komponen bekalan kuasa (cth., kapasitor input, IC penukar DC-DC, induktor, kapasitor output) sedekat mungkin. Jejak arus tinggi yang lebih pendek mengurangkan induktans parasit, yang menyebabkan lonjakan voltan dan EMI. Sebagai contoh, meletakkan kapasitor input, suis, induktor dan kapasitor output pada lapisan yang sama menghapuskan ketakselanjaran impedans daripada via—PCBCart'sPanduan Susun Atur Elektronik Kuasatermasuk contoh khusus aplikasi.

· Mengasingkan Subkumpulan Fungsian: Bahagikan PCB kepada kumpulan fungsi (cth., penukaran kuasa, kawalan, pengesanan) untuk mengasingkan sumber hingar daripada litar sensitif. Sebagai contoh, letakkan komponen kawalan analog (cth., op-amp, penderia kesan Hall) di bahagian tepi, menggunakan jejak nipis dan satah bumi khusus untuk meminimumkan gangguan daripada laluan kuasa tinggi.

· Optimumkan Kedudukan Lapisan: Letakkan komponen besar (cth., MOSFET, kapasitor elektrolit) pada lapisan atas untuk mengelakkan pergerakan semasa pematerian; letakkan komponen pasif kecil (cth., perintang, kapasitor seramik) pada lapisan bawah untuk menjimatkan ruang. Elakkan meletakkan komponen berat (cth., pelindap panas) dengan cara yang membebankan sambungan pateri.

· Penyahgandingan Nyahganding IC Ketepatan: Letakkan kapasitor nyahganding (0.1 μF hingga 10 μF) pada jarak 1–2 mm dari pin kuasa IC dan sambungkannya terus ke tanah. Ini menyediakan takungan tenaga setempat untuk keperluan arus serta-merta, sekali gus meminimumkan riak dan hingar pada rel kuasa. Untuk hingar frekuensi tinggi (>1 MHz), elakkan penggunaan via bagi kapasitor nyahganding untuk mengurangkan induktans parasit—rujuk PCBCart'sGaris Panduan Penempatan Kapasitor Nyahgandinganuntuk butiran.

2.2 Reka Kuasa Dioptimumkan

Jejak kuasa adalah penting untuk membawa arus tinggi tanpa kejatuhan voltan berlebihan atau pemanasan. Jejak yang direka dengan lemah boleh menyebabkan tekanan terma, EMI, atau kegagalan komponen. Garis panduan utama termasuk:

· Pilih Ketebalan Tembaga yang Sesuai: Untuk arus melebihi 10 A, gunakan ketebalan kuprum 35–105 μm (1–3 oz/ft²). Kuprum yang lebih tebal mengurangkan rintangan (dan seterusnya haba) serta membolehkan jejak yang lebih sempit—penting untuk reka bentuk yang terhad ruang. PCBCart mengesyorkan menyelaraskan ketebalan kuprum dengan IPC-2152, yang menetapkan keupayaan pembawaan arus berdasarkan kenaikan suhu dan keadaan persekitaran.

· Jejak Saiz Berdasarkan Keperluan Semasa: Lebar jejak mesti sepadan dengan arus yang dijangka untuk mengelakkan pemanasan berlebihan. Penanda aras ialah

0.5 mm (20 mil) untuk 10 A

1 mm (40 mil) atau lebih untuk 50 A

Sentiasa kurangkan kapasiti jejak sebanyak 20–30% untuk mengambil kira arus lonjakan (contohnya, permulaan motor). Jadual 1 menyediakan garis panduan tambahan untuk kuprum 1 oz/kaki persegi (0.035 mm tebal), berdasarkan kenaikan suhu 10°C pada lapisan luar dan kenaikan 20°C pada lapisan dalam (jejak yang tidak berhampiran pelesap haba):

PCBCartKalkulator Lebar Jejak, Kapasiti Arus dan Kenaikan Suhumempermudah proses ini, menghasilkan saiz jejak tersuai berdasarkan arus, berat kuprum dan had suhu.

· Minimumkan Induktans Parasit: Pastikan jejak kuasa sependek yang mungkin untuk mengurangkan luas gelung—terutamanya dalam litar di/dt tinggi (contohnya, pengawal selia pensuisan). Sebagai contoh, "gelung panas" bagi penukar DC-DC (kondensator input → suis → induktor → kondensator output → tanah) hendaklah sekecil mungkin untuk mengelakkan deringan voltan. Lalukan laluan arus dan laluan balik bersama-sama untuk membatalkan medan magnet dan mengurangkan EMI.

· Gunakan Lapisan Luar untuk Jejak Arus Tinggi: Lapisan luar bertindak sebagai pelesap haba yang lebih berkesan berbanding lapisan dalam (terdedah kepada udara ambien). Jika penghalaan pada lapisan luar tidak dapat dilakukan, gunakan berbilang via untuk menyambungkan kawasan kuprum antara lapisan. Via berdiameter 14 mil boleh membawa sehingga 2 A, dan via 20 mil sehingga 5 A; untuk arus yang lebih tinggi, gunakan jahitan via (via pada jarak λ/20 hingga λ/10, di mana λ ialah panjang gelombang isyarat) untuk mewujudkan laluan berimpedans rendah.

· Mengelakkan Gandingan Jejak Isyarat-Kuasa: Jalankan jejak isyarat sensitif (contohnya, keluaran penderia) secara tegak lurus (90°) terhadap jejak kuasa, dan asingkan ia dengan satah bumi dalam PCB berbilang lapisan. Pendawaian selari pada lapisan bersebelahan menyebabkan gandingan kapasitif, yang menjejaskan keutuhan isyarat.

· Naik taraf Jejak dengan Tembaga Terdedah: Untuk jejak arus tinggi, buang topeng pateri untuk mendedahkan kuprum dan tambah pateri tambahan. Ini meningkatkan ketebalan kuprum berkesan, mengurangkan rintangan tanpa melebarkan jejak—sesuai untuk reka bentuk yang terhad ruang. Untuk persekitaran lasak, tambah saduran perak pada kuprum terdedah untuk menahan kakisan.

· Memenuhi Keperluan Voltan Tinggi: Untuk voltan melebihi 250 V, gunakan potongan (alur atau takikan) untuk meningkatkan jarak merayap antara laluan konduktif, sekali gus mengurangkan risiko arka. Elakkan lubang besar di kawasan voltan tinggi kerana ia melemahkan keutuhan PCB dan boleh menyebabkan keretakan. PCBCart'sKalkulator Jarak Konduktor PCB dan Voltanmengira pelepasan/minimum jarak merayap berdasarkan voltan, bahan, dan keadaan persekitaran.

2.3 Penstabilan Kapasitor bagi Penghantaran Kuasa

Rangkaian penghantaran kuasa (PDN) yang stabil adalah penting untuk elektronik kuasa, kerana lonjakan atau riak voltan boleh merosakkan komponen atau mengganggu operasi. Kapasitor digunakan terutamanya untuk menstabilkan PDN:

· Kapasitor Pukal untuk Arus Lonjakan: Gunakan kapasitor pukal (cth., elektrolit, tantalum) untuk membekalkan arus lonjakan (cth., permulaan motor atau pengaktifan kuasa IC) dan menstabilkan voltan input. Kapasitans minimum dikira menggunakan persamaan:C=Saya×ΔtΔV

di manaSaya= arus lonjakan, Δt= tempoh lonjakan, dan ΔV= penurunan voltan maksimum yang dibenarkan. Letakkan kapasitor pukal berhampiran komponen arus tinggi (cth., input MOSFET, output perintang pengesan) untuk meminimumkan panjang jejak.

· Kapasitor Pintas untuk Penapisan Hingar: Gunakan kapasitor pintasan (contohnya, seramik 0.1 μF) berhampiran pin kuasa IC untuk menapis hingar frekuensi tinggi. Untuk sistem berbilang frekuensi, gabungkan nilai kapasitor (contohnya, 10 μF untuk frekuensi rendah, 0.1 μF untuk frekuensi tinggi) bagi meliputi spektrum hingar yang lebih luas.

· Kapasitor ESR Rendah untuk Frekuensi Tinggi: Pilih kapasitor dengan rintangan siri setara (ESR) yang rendah untuk meminimumkan kehilangan kuasa pada frekuensi pensuisan tinggi. Kapasitor seramik (dielektrik X5R, X7R) adalah ideal, dengan ESR serendah 10 mΩ. Elakkan kapasitor tantalum basah dalam litar voltan tinggi (terdedah kepada kegagalan bencana di bawah voltan berlebihan)—gunakan kapasitor niobium sebagai alternatif yang lebih selamat.

2.4 Reka Bentuk Pelan Bumi untuk Pengurangan Hingar

Bidang bumi mengurangkan hingar, mewujudkan laluan balik berimpedans rendah, dan membantu pelesapan haba. Prinsip reka bentuk utama termasuk:

· Gunakan Rancangan Satah Bumi yang Padu: Gunakan satah tanah berterusan (bukannya jejak yang berselerak) untuk mencapai impedans yang lebih rendah bagi arus balik yang tinggi. Satah pepejal juga membantu menyingkirkan haba daripada peranti sensitif haba (contohnya, transistor kuasa).

· Asingkan Ground Kuasa dan Isyarat: Gunakan satah bumi khusus untuk litar kuasa, disambungkan kepada bumi sistem pada satu titik sahaja (pembumian bintang). Ini mengelakkan hingar kuasa (contohnya daripada pengawal selia pensuisan) daripada terganding ke dalam litar analog yang sensitif.

· Pelan Bumi Dua Sisi: DalamPCB berbilang lapis, gunakan satah bumi pada kedua-dua lapisan atas dan bawah untuk menyerap EMI yang dipancarkan dan mengurangkan hingar gelung bumi. Sambungkan satah ini dengan via untuk memastikan kesinambungan elektrik.

· Optimumkan Satah Bumi untuk Laluan Arus TinggiSusun satah bumi dengan jejak kuasa arus tinggi dalam bentuk "sandwic" untuk mengurangkan induktans parasit dan EMI. Sebagai contoh, lalukan jejak kuasa pada lapisan atas dan laluan baliknya pada satah bumi bersebelahan untuk saling membatalkan medan magnet.

3. Pemilihan Bahan Kritikal untuk PCB Kuasa Tinggi

Pemilihan bahan memberi kesan secara langsung terhadap prestasi terma, toleransi voltan dan kebolehpercayaan mekanikal. PCB elektronik kuasa memerlukan bahan yang berprestasi lebih baik daripada FR-4 konvensional (yang mempunyai kekonduksian terma dan toleransi voltan yang lebih rendah).

3.1 Kriteria Pemilihan Bahan Substrat

Substrat PCB (laminat) membentuk asas kepada prestasi elektrik dan terma. Parameter utama untuk dinilai ialah:

Kekonduksian Terma (K): Mengukur keupayaan pengaliran haba sesuatu bahan. Untuk reka bentuk berkuasa tinggi, pilih substrat denganK>1 W/m-K. Contohnya termasuk:

- Laminat Rogers RT (1.44 W/m-K): Sesuai untuk reka bentuk berkuasa tinggi kerana pengurusan terma yang unggul dan kehilangan dielektrik yang rendah.

- Seramik (alumina, nitrida aluminium): TawarkanKnilai sehingga 200 W/m-K tetapi rapuh dan lebih mahal.

- Laminat PTFE (Teflon): Menyediakan kekonduksian terma dan ketahanan voltan yang baik, sesuai untuk litar kuasa frekuensi tinggi.

- Elakkan FR-4 (K≈0.25 W/m-K) dalam aplikasi berkuasa tinggi, kerana ia menghalang pelesapan haba.

Suhu Peralihan Kaca (Tg): Suhu di mana substrat menjadi lembut. Pilih substrat denganTg≥20∘Cmelebihi suhu operasi maksimum PCB. Sebagai contoh, jika PCB beroperasi pada 170°C, pilih substrat denganTg≥190∘C. Substrat seperti Pyralux AP, Nelco N7000-2HT, dan ISOLA 370HR memenuhi keperluan ini.

Pekali Pengembangan Terma (CTE): Pastikan CTE substrat sepadan dengan komponen (contohnya, kuprum, silikon) untuk mengelakkan tekanan mekanikal semasa turun naik suhu. CTE yang tidak sepadan boleh menyebabkan pengelupasan atau kegagalan sambungan pateri. Sebagai contoh, laminat Rogers mempunyai CTE kira-kira 14 ppm/°C (paksi x-y), hampir sepadan dengan 17 ppm/°C bagi kuprum.

Indeks Penjejakan Perbandingan (CTI): Mencirikan rintangan sesuatu bahan terhadap pengesanan elektrik (kebocoran arus pada permukaan). Aplikasi voltan tinggi memerlukan bahan dengan nilai CTI yang tinggi untuk mengelakkan arka. CTI dikelaskan kepada beberapa kumpulan (Jadual 2):

PCBCart'sPanduan Reka Bentuk Bahan PCBmenyediakan maklumat CTI terperinci untuk substrat, membolehkan jurutera memilih bahan yang memenuhi keperluan voltan.

Kandungan Resin dan Tenunan Kaca: Aplikasi voltan tinggi memerlukan substrat kandungan resin tinggi (>50%) dan anyaman kaca halus (contohnya 1080, 2113, 2116). Meminimumkan rongga (poket udara) antara lapisan mengurangkan risiko pembentukan filamen anodik konduktif (CAF)—satu mekanisme kegagalan elektromigrasi kuprum dalam keadaan lembap. Anyaman kaca halus meningkatkan penembusan resin, sekali gus mengurangkan lagi risiko CAF.

Agen Pengeras: Untuk aplikasi voltan tinggi, gunakan substrat dengan agen pengawetan fenolik (bukannya dicianodiamida, DICY). Agen fenolik menawarkan perencatan CAF yang lebih baik, manakala bahan berasaskan DICY—walaupun mempunyai Tg yang lebih tinggi—mudah mengalami kegagalan di bawah kecerunan voltan tinggi.

3.2 Pengoptimuman Ketebalan dan Berat Tembaga

Tembaga ialah pengalir utama dalam PCB, dan ketebalannya secara langsung mempengaruhi keupayaan membawa arus dan pelesapan haba. Garis panduan utama termasuk:

· Ketebalan Tembaga untuk Keperluan ArusSeperti yang dibincangkan dalam Seksyen 2.2, kuprum 1 oz/ft² (35 μm) memadai untuk arus di bawah 10 A, manakala kuprum 3 oz/ft² (105 μm) sesuai untuk arus melebihi 30 A. Untuk aplikasi rangkaian kuasa arus tinggi (contohnya, rangkaian kuasa EV), PCBCart menawarkanPCB tembaga berat(sehingga 12 oz/kaki²) untuk prestasi yang dipertingkatkan.

· Ketebalan Tembaga dan Pelesapan Haba: Tembaga yang lebih tebal menghilangkan haba dengan lebih baik berbanding tembaga yang lebih nipis. Sebagai contoh, jejak tembaga 2 oz/ft² menghilangkan haba 30% lebih banyak berbanding jejak 1 oz/ft² dengan lebar yang sama.

· Tembaga Lapisan Dalam vs. Luar: Gunakan tembaga yang lebih tebal pada lapisan luar (terdedah kepada udara) untuk memaksimumkan pelesapan haba. Lapisan dalam boleh menggunakan tembaga yang lebih nipis kerana ia bergantung pada via terma untuk memindahkan haba ke lapisan luar.

4. Amalan Terbaik Pemilihan Komponen dalam Elektronik Kuasa

Pemilihan komponen adalah kritikal untuk memaksimumkan kecekapan, mengurangkan haba, dan memastikan keselamatan. Garis panduan berikut menggabungkan pandangan daripada tiga perspektif industri untuk membantu jurutera membuat keputusan yang bermaklumat.

4.1 Komponen Bekalan Kuasa

Bekalan kuasa ialah tulang belakang PCB elektronik kuasa, dan pemilihannya bergantung pada keperluan aplikasi (contohnya, kecekapan, hingar, ketumpatan kuasa).

Bekalan Kuasa Linear untuk Penggunaan Kritikal Bunyi: Pengawal selia linear (contohnya, LDO) mempunyai EMI yang rendah dan sangat sesuai untuk aplikasi kuasa rendah yang sensitif terhadap hingar (contohnya, peranti perubatan, peralatan makmal). Namun begitu, ia tidak cekap (<60% pada perbezaan voltan yang tinggi), menghasilkan haba yang ketara, dan tidak sesuai untuk penggunaan kuasa tinggi. Cadangan reka bentuk utama:

- Pilih LDO dengan rintangan terma yang rendah (θJA<50∘C/W) untuk mengelakkan terlalu panas.

- Letakkan komponen sensitif suhu (cth. penderia) jauh daripada pengawal selia linear.

- Gunakan kapasitor penapis input untuk meredamkan hingar bekalan kuasa.

Bekalan Kuasa Mod Suis (SMPS) untuk Kecekapan Tinggi: SMPS (penukar buck, boost) mencapai kecekapan >90% dengan menukar komponen hidup/mati dengan pantas, mengurangkan kehilangan rintangan. Sesuai untuk aplikasi berkuasa tinggi (pencas EV, bekalan kuasa industri) tetapi memancarkan lebih banyak EMI berbanding pengawal selia linear. Cadangan reka bentuk kritikal:

- Gunakan satah bumi pepejal dan perisai untuk mengehadkan EMI.

- Pilih pemacu gerbang dengan keupayaan arus yang sesuai untuk menyokong kelajuan pensuisan SMPS.

- Tambah penapis input/output (contohnya penapis LC) untuk mengurangkan voltan riak dan EMI terkonduksi.

Penukar DC-DC untuk Peraturan VoltanPenukar DC-DC melaraskan aras voltan (naik taraf/turun taraf) dalam peranti mudah alih (cth., telefon pintar) dan aplikasi automotif. Pilih penukar berdasarkan:

-Topologi: Buck (turun langkah) untuk keperluan voltan lebih rendah (cth., 12V ke 5V), boost (naik langkah) untuk voltan lebih tinggi (cth., 3.7V ke 12V), atau buck-boost untuk julat voltan yang luas.

-Kecekapan: Pilih penukar dengan kecekapan >95% pada beban penuh.

-Frekuensi PensuisanFrekuensi lebih tinggi (cth., 1 MHz) membolehkan penggunaan induktor/kondensator yang lebih kecil tetapi meningkatkan EMI.

Alat Pemilih Komponen PCBCart membolehkan jurutera membandingkan komponen bekalan kuasa berdasarkan kecekapan, julat voltan dan saiz pakej.

4.2 Suis, Diod dan Semikonduktor

Suis dan diod mengawal aliran kuasa dalam litar, dan pemilihannya secara langsung mempengaruhi kecekapan serta penjanaan haba.

· Bahan Semikonduktor: Pilih antara silikon (Si), silikon karbida (SiC), dan galium nitrida (GaN) berdasarkan keperluan aplikasi (Jadual 3):

Jika: Menjimatkan kos untuk reka bentuk voltan rendah dan kuasa rendah tetapi terhad dari segi frekuensi dan suhu.

SiC: Digunakan dalam reka bentuk suhu tinggi dan voltan tinggi (contohnya, EV, pemacu industri) kerana keupayaannya mengendalikan voltan tinggi dan rintangan terma yang baik.

GaN: Digunakan dalam aplikasi frekuensi tinggi dan ketumpatan tinggi (contohnya, bekalan komputer riba 65W) kerana kehilangan yang minimum dan frekuensi pensuisan yang tinggi.

Suis: Pilih suis berdasarkan penarafan voltan, pengendalian arus, dan kelajuan pensuisan:

-MOSFET: Sesuai untuk aplikasi voltan rendah hingga sederhana (sehingga 1 kV) dan frekuensi tinggi. Pilih MOSFET dengan rintangan hidup rendah (Rds(pada)<100 mΩ) untuk kehilangan pengaliran yang rendah.

-IGBT: Sesuai untuk aplikasi voltan sederhana hingga tinggi (sehingga 6.5 kV) dan arus tinggi (contohnya, motor industri). Ia menggabungkan rintangan hidup rendah MOSFET dengan penarafan voltan tinggi transistor dwikutub.

-FET GaN: Penukaran lebih pantas dan kehilangan yang lebih rendah berbanding MOSFET Si, menjadikannya sesuai untuk bekalan kuasa frekuensi tinggi.

Diod: Pilih diod berdasarkan voltan jatuhan ke hadapan, masa pemulihan songsang, dan penarafan voltan:

-Diod Schottky: Voltan hadapan rendah (0.2–0.5 V) dan masa pemulihan songsang yang pantas (<10 ns), sesuai untuk pembetulan frekuensi tinggi.

-Dioda SiC: Penarafan voltan tinggi (sehingga 10 kV) dan rintangan terma, paling sesuai untuk pembetulan kuasa tinggi (contohnya, pengecas EV).

-Dioda TVS: Diod penekan voltan sementara (TVS) mengehadkan lonjakan voltan (contohnya, daripada ESD) untuk melindungi komponen sensitif. Pilih diod TVS dengan voltan kerosakan yang sedikit lebih tinggi daripada voltan operasi maksimum.

4.3 Kapasitor dan Induktor

Induktor dan kapasitor menyimpan dan memindahkan tenaga dalam litar kuasa, dan pemilihannya mempengaruhi kecekapan serta hingar.

Kapasitor:

-Kapasitor Seramik: Digunakan untuk penapisan frekuensi tinggi (0.1 μF) dan pintasan. Pilih dielektrik X5R atau X7R untuk kestabilan terma (-55°C hingga 85°C atau 125°C).

-Kapasitor Elektrolit: Sesuai untuk penyimpanan tenaga pukal (cth., 100 μF hingga 10 mF) dalam aplikasi frekuensi rendah. Pilih pilihan jangka hayat panjang (cth., 10,000 jam pada 105°C) untuk kegunaan industri.

-Kapasitor Filem: ESR rendah dan penarafan voltan tinggi (sehingga 10 kV), sesuai untuk pemacu motor berkuasa tinggi dan penyongsang.

Induktor:

-Induktor DCR Rendah: Pilih induktor dengan rintangan DC (DCR) yang rendah untuk meminimumkan kehilangan kuasa. Induktor toroida lebih digemari untuk EMI yang rendah dan kecekapan yang tinggi.

-Induktor Berperisai: Digunakan dalam aplikasi sensitif EMI (contohnya, peranti perubatan) untuk mengurangkan hingar terpancar.

-Nilai Induktans: Kira induktans yang diperlukan berdasarkan arus riak dan frekuensi pensuisan. Sebagai contoh, induktor 1 μH sesuai untuk penukar buck 1 MHz dengan arus riak 10%.

4.4 Perintang, Fiús, dan Peranti Perlindungan

Peranti perlindungan melindungi komponen daripada kegagalan arus lebihan, voltan lebihan atau ESD.

Perintang:

-Perintang Deria Arus: Gunakan perintang ketepatan tinggi (toleransi <1%) dan TCR rendah (<50 ppm/°C) untuk pengukuran arus yang tepat. Pilih perintang dengan kadar kuasa 2–3 kali ganda daripada pelesapan yang dijangkakan (P=Saya2R).

-Perintang Belitan Wayar: Digunakan dalam aplikasi berkuasa tinggi (sehingga 100 W) kerana ketumpatan kuasa yang tinggi.

-Perintang Filem Logam: Digunakan dalam litar frekuensi tinggi (sehingga 100 MHz) kerana induktans parasit yang rendah.

Fius:

-Fius Bertindak Pantas: Digunakan dalam litar arus lonjakan rendah (contohnya, IC digital) untuk mengelakkan litar pintas.

-Fius Lambat-Putus: Digunakan dalam litar arus lonjakan permulaan yang tinggi (contohnya, motor, pengubah) untuk mengelakkan nyahpepijat palsu.

-Pertimbangan Penarafan: Gunafiusdengan penarafan voltan yang lebih tinggi daripada voltan operasi maksimum litar dan penarafan arus 1.25x arus operasi biasa.

Peranti Perlindungan Lain:

-Varistor: Menawarkan rintangan tidak linear yang mengehadkan arus lonjakan (contohnya, daripada kilat) apabila voltan meningkat.

-Dioda Perlindungan ESD: Lindungi komponen sensitif (contohnya IC) daripada kejadian ESD (sehingga 15 kV nyahcas sentuhan).

4.5 Penderia, Pemacu, dan Penyambung

Penderia dan pemacu mengurus dan memantau aliran kuasa, manakala penyambung membolehkan pemindahan kuasa/isyarat yang boleh dipercayai.

Penderia:

-Penderia Arus: Gunakan penderia kesan Hall untuk pengesanan arus tanpa sentuhan (sehingga 1000 A) atau perintang shunt untuk pengesanan arus rendah yang tepat (sehingga 100 A).

-Penderia Suhu: Gabungkan termistor NTC atau penderia digital (contohnya berasaskan I2C) untuk memantau suhu PCB dan mencetuskan penutupan terma jika had melebihi.

Pemandu:

-Pemacu Pintu Terasing: Digunakan dalam reka bentuk voltan tinggi (cth., MOSFET SiC) untuk mengasingkan isyarat kawalan voltan rendah daripada laluan kuasa voltan tinggi. Pemacu terasing optogandingan atau pengubah adalah biasa digunakan.

-Pemacu Bootstrap: Sesuai untuk reka bentuk voltan rendah (cth., automotif 12V) bagi memacu MOSFET sisi tinggi tanpa bekalan kuasa terasing.

Penyambung:

-Penilaian Semasa: Pilih penyambung dengan penarafan arus maksimum yang sesuai (contohnya, 30 A untuk port pengecasan EV). Gunakan penyambung bersalut emas atau perak untuk rintangan rendah dan rintangan terhadap kakisan.

-Mekanisme Penguncian: Gunakan penyambung dengan penguncian yang selamat (contohnya, skru, selak) untuk mengelakkan tertanggal secara tidak sengaja dalam persekitaran bergetar (contohnya, automotif, jentera industri).

-Penarafan Alam Sekitar: Untuk persekitaran yang lasak, gunakan penyambung dengan penarafan IP65 atau lebih tinggi untuk melindungi daripada habuk dan kelembapan.

Panduan Reka Bentuk Penyambung PCBCart menyediakan cadangan terperinci untuk memilih penyambung berdasarkan arus, voltan dan keadaan persekitaran.

5. Pendekatan Pengurusan Terma Lanjutan

Tekanan terma ialah mekanisme kegagalan utama bagi PCB elektronik kuasa, menjadikan pengurusan terma sebagai peringkat reka bentuk yang penting. Pendekatan berikut menggabungkan pandangan daripada tiga perspektif industri untuk memaksimumkan pelesapan haba:

· Sirip Haba dan Pad Terma: Pasang sink haba pada komponen berkuasa tinggi (cth., MOSFET, IGBT) menggunakan pad terma atau pes terma (kekonduksian terma >1 W/m-K). Tentukan saiz sink haba berdasarkan keperluan pelesapan haba—gunakan sink haba yang lebih besar untuk komponen yang melesapkan >10 W.

· Lubang Via Terma: Gunavia terma(dipenuhi pateri atau dipenuhi kuprum) untuk mengagihkan haba daripada titik panas (cth., pad transistor kuasa) ke satah kuprum dalaman atau luaran. Jarakkan via pada selang 1–2 mm untuk pemindahan haba yang optimum.

· Penyejukan Aktif: Untuk reka bentuk berkuasa tinggi (>50 W pelesapan), gunakan kipas atau sistem penyejukan cecair. Pasang kipas pada bekas dan bekalkannya terus daripada isyarat AC input (untuk penukar AC/DC) atau isyarat PWM (untuk penukar DC/DC) untuk melaraskan kelajuan berdasarkan suhu.

· Tembaga Terdedah dan Penanggalan Topeng Pateri: Tanggalkan topeng pateri daripada jejak arus tinggi dan tambah pateri tambahan. Teknik ini boleh mengurangkan suhu jejak sebanyak 10–20°C untuk arus 10 A.

· Palang Bas: Gunakan palang bas kuprum atau aluminium untuk memindahkan haba daripada komponen berkuasa tinggi (cth., kapasitor, induktor) ke pelesap haba. Palang bas menawarkan kekonduksian terma yang tinggi dan impedans yang rendah, sesuai untuk arus >100 A.

· Penebat Haba bagi Bahagian Sensitif: Penebatan komponen sensitif (contohnya penderia, op-amp) dengan bahan seperti filem poliimid untuk mengelakkan variasi terma menjejaskan prestasi.

6. Teknik Pengurangan EMI untuk PCB Elektronik Kuasa

EMI daripada pensuisan frekuensi tinggi boleh mengganggu litar sensitif dan menghalang pematuhan peraturan. Teknik berikut dapat mengurangkan EMI:

· Perisai: Lindungi sumber bunyi bising (cth., SMPS) menggunakan bahan konduktif (cth., bekas tembaga, salutan konduktif). Pembumian pelindung hendaklah dilakukan dengan betul untuk mengelakkan resonans. Gunakan sangkar Faraday untuk menutup medan elektromagnet di kawasan sensitif.

· Penapisan: Letakkan kapasitor tembus (feed-through capacitors) atau penapis LC pada bahagian masuk/keluar bekalan kuasa untuk menapis EMI terkonduksi. Gunakan pencekik mod sepunya (common-mode chokes) untuk menindas hingar mod sepunya (contohnya, daripada gelung bumi).

· Jejak Pengawal: Jejak pengawal laluan (jalur kuprum bersambung ke tanah) di sekeliling isyarat yang sensitif kepada hingar (cth., keluaran penderia) untuk melindungi daripada hingar. Kekalkan jarak 3W–5W antara jejak pengawal dan jejak isyarat (di mana W = lebar jejak isyarat).

· Melalui Penyambungan: Gunakan melalui jahitan (via pembumian berhampiran tepi PCB) untuk menyediakan laluan impedans rendah ke bumi, sekali gus mengurangkan EMI terpancar. Jarakkan via pada λ/20 hingga λ/10 (λ = panjang gelombang isyarat) untuk prestasi optimum.

· Pengasingan Litar: Bahagikan PCB kepada kawasan fungsi (kuasa, kawalan, pengesanan) untuk mengasingkan sumber hingar daripada litar sensitif. Gunakan satah bumi untuk mengasingkan kawasan ini secara elektrik.

7. Pematuhan Piawaian Industri

PCB elektronik kuasa mesti mematuhi piawaian antarabangsa untuk memastikan keselamatan, kebolehpercayaan dan interoperabiliti. Piawaian utama termasuk:

Piawaian IPC:

-IPC-2221: Menyediakan garis panduan reka bentuk PCB (cth., jarak pelepasan/jarak merayap, lebar jejak, penempatan komponen)—sangat penting untuk mencegah ESD dan percikan elektrik.

-IPC-2152: Mentakrifkan keupayaan pembawaan arus jejak berdasarkan berat kuprum, kenaikan suhu dan keadaan persekitaran—penting untuk reka bentuk berkuasa tinggi.

-IPC-6012: Menentukan keperluan kualiti fabrikasi PCB (contohnya, kekuatan dielektrik, keboleh-solderan, prestasi terma).

-IPC-A-600: Menetapkan kriteria penerimaan visual untuk PCB bagi menggalakkan konsistensi pembuatan.

Piawaian UL/IEC:

-UL 60950-1 / IEC 60950-1: Piawaian keselamatan untuk peralatan teknologi maklumat, yang menetapkan keperluan penebatan dan had arus kerosakan.

-UL 1950 / IEC 60950: Serupa dengan UL 60950-1 tetapi terpakai untuk julat peralatan elektronik yang lebih luas.

-IEC 61800: Keperluan untuk sistem pemacu kuasa elektrik kelajuan boleh laras, termasuk keperluan EMI dan keselamatan untuk pemacu motor.

Piawaian EMI:

-Bahagian 15 FCC: Mengawal selia EMI terpancar dan terkonduksi bagi produk elektronik yang dipasarkan di Amerika Syarikat.

-CISPR 22: Piawaian EMI Eropah untuk peralatan teknologi maklumat, mematuhi FCC Bahagian 15.

PCBCart menawarkan ujian pematuhan untuk mengesahkan pematuhan PCB terhadap piawaian ini, termasuk ujian EMI/EMC, kitaran terma, dan ujian kekuatan dielektrik.

8. Langkah Berjaga-jaga Keselamatan untuk Litar Tenaga Tinggi

Litar tenaga tinggi (contohnya, rangkaian kuasa EV, penyongsang industri) menimbulkan risiko keselamatan yang ketara dan memerlukan perlindungan reka bentuk tambahan:

· Pelepasan dan Jarak Merayap: Kekalkan jarak pengasingan minimum (ruang udara antara pengalir) dan jarak merayap (jarak permukaan antara pengalir) mengikut IPC-2221 dan IEC 60950-1. Sebagai contoh, 2 mm jarak pengasingan/jarak merayap untuk litar 250 V AC.

· Bahan Penebat: Gunakan bahan CTI tinggi (cth., CTI ≥ 600) untuk litar voltan tinggi bagi mengelakkan pengesanan elektrik. Sapukansalutan konformal(cth., akrilik, silikon) untuk melindungi daripada kelembapan, habuk, dan sentuhan tidak sengaja.

· Laluan Pelepasan Selamat: Menyediakan laluan rintangan rendah untuk melepaskan tenaga tersimpan dalam kapasitor, induktor dan bateri. Gunakan perintang nyahcas (contohnya, 1 MΩ) untuk menyahcas kapasitor dalam masa 1 saat selepas kuasa dimatikan.

· Reka Bentuk Enklosur: Pilih bekas yang memenuhi piawaian keselamatan UL/IEC (contohnya, plastik kalis api, bekas logam). Pastikan bekas mempunyai pengudaraan yang mencukupi (contohnya, lubang udara, tapak kipas) untuk pengurusan haba dan penarafan IP65 atau lebih tinggi bagi persekitaran yang lasak.

· Ciri Keselamatan Di Atas Pesawat: Laksanakan penderia suhu untuk mencetuskan penutupan terma jika suhu PCB melebihi paras selamat (cth., 150°C). Tambahkan fius pada output arus tinggi untuk melindungi daripada litar pintas.

9. Teknologi Baharu Muncul: Semikonduktor Jalur-Gelombang Lebar

Semikonduktor jalur jalur lebar (WBG) (SiC, GaN) sedang mengubah elektronik kuasa dengan mengatasi prestasi peranti Si konvensional. Penambahbaikan utama termasuk:

· Kecekapan Lebih TinggiPeranti WBG meminimumkan kehilangan pensuisan dan pengaliran, membolehkan bekalan kuasa dengan kecekapan >98% (berbanding dengan <90% untuk Si).

· Faktor Bentuk Lebih Kecil: Frekuensi pensuisan yang lebih tinggi membolehkan penggunaan induktor, kapasitor dan sink haba yang lebih kecil, sekali gus mengurangkan saiz PCB sebanyak 30–50%.

· Toleransi Suhu Lebih Tinggi: SiC dan GaN menyokong suhu persimpangan sehingga 300°C dan 200°C, masing-masing, sekali gus menghapuskan keperluan untuk sistem penyejukan yang kompleks.

Semikonduktor WBG semakin banyak digunakan dalam EV (SiC dalam rangkaian kuasa), pengecas pantas (GaN dalam reka bentuk 65W+), dan penyongsang solar (SiC dalam sistem DC voltan tinggi). PCBCart'sReka Bentuk PCB Berkelajuan TinggiPanduanmemberikan pandangan tentang reka bentuk dengan semikonduktor WBG, termasuk pengoptimuman susun atur untuk pensuisan frekuensi tinggi.

10. Kesimpulan

Reka bentuk PCB elektronik kuasa memerlukan keseimbangan antara prestasi elektrik, pengurusan terma, pembendungan EMI dan keselamatan. Dengan menggabungkan reka bentuk susun atur yang strategik, kepakaran pemilihan bahan dan pengoptimuman komponen, jurutera boleh menghasilkan papan yang mampu menahan tuntutan aplikasi berkuasa tinggi (EV, tenaga boleh diperbaharui, peralatan industri). Perkara utama yang perlu diambil perhatian termasuk:

· Utamakan penempatan komponen untuk mengelakkan titik panas terma dan meminimumkan panjang jejak.

· Pilih bahan dengan kekonduksian terma, Tg dan CTI yang tinggi untuk kebolehpercayaan dalam persekitaran berkuasa tinggi.

· Pilih semikonduktor WBG (SiC, GaN) untuk aplikasi kecekapan tinggi dan frekuensi tinggi.

· Menggunakan pengurusan terma yang agresif (sirip haba, via terma, penyejukan aktif) untuk mengelakkan kegagalan komponen.

· Patuhi piawaian IPC, UL/IEC dan EMI untuk keselamatan dan kelulusan peraturan.

PCBCart menyokong jurutera sepanjang proses reka bentuk dengan alat (kalkulator jejak, pemilih komponen), garis panduan reka bentuk dan perkhidmatan ujian pematuhan. Dengan mengikuti garis panduan ini dan memanfaatkan kepakaran PCBCart, jurutera boleh mereka bentuk PCB elektronik kuasa yang boleh dipercayai, cekap dan selamat.

Dapatkan Sebut Harga PCB Elektronik Kuasa Anda

Sumber yang berguna:
•Cara Memilih Bahan untuk PCB Anda dari Segi Kos dan Kebolehpercayaan
•Elemen Penting untuk Memastikan Kualiti dalam Proses Pemasangan SMT
•Piawaian dan Kaedah Ujian Elektrik untuk Pengesahan Kualiti PCB
•Pensijilan PCB: Keperluan Pematuhan untuk Produk yang Selamat dan Boleh Dipercayai
•Panduan Fabrikasi dan Pemasangan PCB Perubatan
•Bahan PCB: Kriteria Pemilihan dan Ciri-ciri Prestasi
•Kecacatan Biasa dalam Pemasangan PCB dan Cara Mencegahnya
•Perhimpunan PCB Turnkey Penuh