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削減多餘銅箔

一般認為所謂的pattern設計,直覺上祇是單純的patternlayout,然而設計高功率印刷電路板的pattern並非單純的patternlayout,當電壓施加於電路時,電路板板上的各pattern之間的間隔設計,亦即如何削減多餘銅箔才是設計高功率印刷電路板的主要技巧。

降低pattern阻抗

為何不鋪設pattern主要目的是要降低pattern阻抗(impedance),由於削減多餘銅箔可使pattern幅寬變粗,銅箔面積變大直流阻抗變小。

此外圍繞pattern的面積變小,相對的pattern的阻抗(impedance)變小,整體而言阻抗可大幅減少。

採用粗短pattern的設計

若與小信號的數位電路比較時,由於高功率印刷電路是以高電壓大電流為對象,所以必需充分掌握電路電流的特性,才能決定pattern的幅寬。

根據電流實效值計算pattern的幅寬

根據以往的經驗顯示pattern的幅寬每1mm的容許電流約為1A左右,不過必需注意的是上述經驗值徵適用於電流變化較少的直流電源,類似switching電源等電流變化與峰值電流極大的電路,若直接使用上述經驗值就會造成誤動作與效率降低等嚴重後果。

由於switching電源的電流呈斷續性流入電路,所以電流的實效值會比平均值大,此時必需使用電流的實效值才能決定pattern的幅寬。

如圖1所示的電流波形實效值IRMS[ARMS],根據式

(1)計算結果為0.5ARMS,也就是說pattern的幅寬必需大於0.5mm。

Ip:

峰值電流[A]。

ton:

ON的時間[S]。

t:

switching的周期[S]。

pattern的幅寬較窄小的場合可加大銅箔厚度,如上所述pattern的幅寬每1mm的容許電流約為1A左右,此時銅箔厚度約為35μm,不過實際上高功率印刷電路的銅箔厚度卻高達70μm,換言之相對於幅寬1mm的pattern,容許實效電流等於是2A左右。

寬幅pattern可降低損失

由於switching電源已經成為提高效率必要元件之一,因此出現許多高效率電路,不過實際上經常因為pattern設計不當造成電力損失,使的高效率電路無法發揮預期的效果,由此可知pattern寬度對防止效率降低具有決定性的影響。

pattern造成的電力損失可由電路的實效電流與pattern的直流阻抗求得,pattern的直流阻抗R[Ω]可用下式表示:

p:

體積阻抗率[Ω∙m]。

l:

pattern的長度。

a:

截面積[cm2]。

00C時銅的體積阻抗率率為1.55×

10-8Ω∙m,1000C時為2.33×

10-8Ω∙m,因此T0C時銅的體積阻抗率p可用下式表示:

p={(2.33-1.5)×

(T/100)+1.55}×

10-8

 

=(0.0068T+1.55)×

10-8---------------------------------------------(3)

由上式可知pattern越粗大,pattern的阻抗相對的越小,換言之設計高功率電路時除了必需確保pattern之間的間隙(gap)與必要的pattern之外,還可以利用蝕刻方式將多餘的pattern銅箔去除,如此一來便可有效降低pattern的阻抗,進而提高高功率電路的效率。

注意pattern的溫升特性

表1是pattern的溫度分別上升100C、200C、400C時pattern的幅寬與容許電流與的依存特性。

一般認為設計高功率電路時,溫升不可大於200C,也就是說0.1mm的pattern幅寬容許0.7A的電流,1.0mm的pattern幅寬容許3A的電流也因而成為常用的設計參考值。

上述式

(1)pattern幅寬為1.0mm,實際上電流值祇有1A,因此並未超過常用的安全值。

表1pattern的溫度與pattern幅寬、容許電流的特性

確保pattern之間的間隙

雖然pattern之間的間隙(gap)取決於施加於電路的電壓,不過某些情況標準安全規範並非不完全適用,所謂的安全規範規定的pattern之間的間隙與耐電壓,基本上是針對商用電源、絕緣與防止觸電而設的,如果pattern之間的間隙太狹窄,耐電壓測試時極易產生corona放電,造成絕緣受到破壞。

有關耐電壓測試所施加的電壓則必需依循適用的安全規範。

表2是各種安全規範規劃的pattern間隙與耐電壓特性。

(b)其它規範

pattern之間的間隙(mm)

耐電壓

電氣用品安全法(日本)

2.5

51~150

3

151~300

5

301~440

UL(美國)

1.59

51~125

2.38

126~250

12.7

251~440

歐洲規範(德國)

2

51~130

131~250

4

表2各種安全規範規範的pattern間隙與耐電壓特性

相同pattern,隨著部位差異,電位不盡相同

深入檢討電流造成的電位差異

大電流流動部位會因pattern的直流阻抗發生電位差,此外類似方形波等站立極為快速的電流流動部位,會因電感(inductance)產生電位差,因此控制電路的common電位時,必需避免變化激烈的電流流入處理微小信號的電路pattern內。

由圖2(a)的電路圖可知大電流會流入ICground的pattern內,如果進行如圖2(b)1點連接設計變更,大電流就不會流入ICground的pattern內。

圖2考慮大電流的電路設計方法

仔細檢討電流的流動特性

return電流的流動方式

雖然理論上阻抗(impedance)越小電流越容易流動,不過該法則卻不完全適用於高功率電路。

如圖3(a)所示的pattern,雖然return電流會流入某部位的groundpattern內,不過電流的流動方向卻因電流頻率改變,例如3(b)是直流電的電流的流動方向;

圖3(c)是電流頻率變高時的流動方向,也就是說returnpattern很細、頻率很高時,如果將patternlayout成圖3(d)所示結構時,阻抗(impedance)就會變得非常小,由此可知任意鋪設直線性pattern,會使阻抗變大。

圖3return電流的流動方式

均等分流

由於電子設備基於小型化與輕量化等市場要求,因此類似圖4(a)的電路採用複數個低容量電解電容並列連接設計,相較之下如果是使用圖4(b)的pattern設計時,由於通過C1的Ⓐ路徑比通過C2路徑的Ⓑ短,所以C1的電流會比C2的電流大,而且C1的電流電流更容易流動。

基於C1的電流可能會超越容許ripple電流等考量,因此採用複數個低容量電解電容並列連接,設計上必需盡量使流通各電容switching電流的pattern長度等長。

圖4(c)是具體設計實例,由圖可知電流通過C1的Ⓐ路徑與通過C2路徑的Ⓑ路徑長度幾乎相同,所以電流能均勻流通。

圖4電解電容並列連接的設計

噪訊隨著pattern的設計改變

噪訊的發生機制

當頻率很高時會因pattern之間的浮遊容量,導致電流流入其它pattern以及筐體與pattern之間,該電流就是造成傳導噪訊與誤動作的主要原因。

雖然基本上噪訊的發生與pattern的設計並無直接關連,不過筐體與元件之間也會產生噪訊。

需格外注意高阻抗pattern

類似OP增幅器的加算點(summingpoint)等阻抗極高的pattern,極易受到即使祇有pA等級的漏電流影響,因此設計上必需設法避免OP增幅器輸入端子的pattern與其它pattern交叉。

此外OP增幅器的輸入端子收容各種遠離輸入阻抗與復歸阻抗等元件的pattern,因此自然的輸入端子的pattern長度會變長,有鑑於此設計上必需盡量將元件設於OP增幅器的輸入端子附近,藉此降低pattern的長度。

pattern設計不當是誤動作的主要原因

許多誤動作是因為同一pattern的電位差所造成,尤其是電路圖上看似同一電位,然而實際電路的電位卻有差異,主要原因是pattern潛藏許多肉眼無法辨識的配線阻抗(impedance)等電路定數,使得電路無法依照預期設計動作,因此設計上必需作1點連接,藉此避免大電流流入控制電位的common,同時減少流通大電流pattern圍繞面積,也就是說設計pattern時詳細檢討pattern的阻抗(impedance),是降低電路誤動作的最有效對策。

Power電路遠離控制電路

Power電路處理的電力遠大於控制電路,對控制電路而言Power電路變成是噪訊發生源,為了降低噪訊對控制電路的影響,所以Power電路必需在物理距離上盡量遠離控制電路。

不可在元件面設置pattern的場合

元件的封裝至pattern的距離是潛伏性問題

例如電解電容的外殻雖然是用絕緣film封裝,不過大部份的場合卻無法保證該film的絕緣性,因此若在元件面作pattern配線,當pattern與電解電容的端子以及外殻連接時,變成祇有film部位是絕緣,而該部位又必需通過UL規定的耐電壓測試,電壓很低時尚不致構成問題,不過當使用電壓很高時,電解電容的絕緣film就會有耐電壓不足的困擾。

元件面除外可設置pattern的case

為克服上述困擾必需避免在電解電容的下方作元件面pattern配線。

所謂的高使用電壓也可視為非安全電壓,因此一般認為UL安全規範經常會超越42.4V尖頭值或是60V直流電。

分散設置發熱元件

大部分的高功率電路元件都會產生大量熱能,因此必需借助pattern與散熱器散熱。

如果將發熱元件集中在相同部位很容易造成溫升問題,所以理論上希望盡量分散設置發熱元件,然而事實上高功率電路基於低pattern阻抗要求,因此經常將元件集中設置,如此一來形成理論與實際相互矛盾的特殊現象,根本解決方法是綜合電路設計條件與散熱條件,依此進行tradeoff,再決定pattern的layout細節。

設計實例

接著以Flybacktype電源供應器(S.P.S:

SwitchingPowerSupply)為例,具體說明高功率電路pattern的layout技巧。

Flybacktype的電源供應器switchingFETON時,會將能量(energy)儲存於變壓器內(transformer),FETOFF時則將能量釋放至OUTPUT端。

表3與圖5分別是Flybacktype電源供應器的概要規格與電路圖。

圖5Flybacktype電源供應器的電路圖

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