原创 功率电子电路布局布线及散热处理【附PDF下载】

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作者：Hugo Yu

为什么要考虑布局布线和散热问题

       功率电子电路实际上是一个小功率电路和大功率电路并存于一体的电路系统。一个完整的功率电子电路通常包括有控制电路、驱动电路和功率输出电路三个组成部分。下面引出4个问题及解决思路。

1.       电磁干扰问题。

功率电子电路的功率输出部分通常采用开关工作方式，电路中讲发生大电压和大电流的突变。这种突变可通过电源和信号线对相连的电路产生干扰（传导干扰），同时对周围环境产生较强的电磁辐射（辐射干扰）。

而功率电路中的控制电路部分属于小功率电路，其信号幅度较低，对噪声比较敏感，抗干扰性差。噪声干扰可能导致控制电路部分的逻辑或时序错误，轻则影响电路性能，重则是电路无法工作。

对于传导干扰，可以通过电源隔离、信号隔离、滤波等方式抑制。而对于辐射干扰，通常只能通过合理的电路布局、走线以及屏蔽等措施来削弱电磁干扰的影响。

2.       强弱电隔离问题。

在功率电子电路中，控制电路部分采用低电压供电，通常只有几伏或十几伏，属于弱电范畴；而功率输出部分的电压比较高，在几十伏至几千伏的范围内，属于强电范畴。强弱电之间隔离不当，会发生大火或部分短路现象，造成弱点部分电路的损坏。

布局和布线时，应注意强弱电之间的导线间距符合爬电距离规范。

3.       大电流问题。

功率输出部分是大电流输出，可达几安至几千安。大电流会导致导线发热，严重情况下，会烧断导线，是电路无法失效。

布线时，应注意合理计算导线宽度以承载正常工作时的大电流。

4.       器件散热问题。

功率输出器件由于本身的开关损耗和管耗等因素影响，发热会比较严重，需要采用有效的手段进行散热，以保证器件连续长时间正常工作。可加装散热片或散热器来解决。

综上，除了合理的电路设计之外，电路安装方面，合理的电路布局、走线及有效的散热也是保障电路正常工作必不可少的因素。

如何进行合理布局布线以及解决散热问题

1.       布局

控制电路部分，其信号幅度小，精度要求高，抗干扰性差，尤其是其模拟部分。

驱动电路部分是连接控制电路和功率输出电路的中间环节，输入时控制电路所提供的信号，有一定抗干扰能力，但对于驱动输出部分的打信号而言，抗干扰能力还是很脆弱。因此，驱动电路一方面应防止外来噪声的干扰，同时，也应防止自身输出信号对输入信号的噪声干扰。

功率输出部分电压高、电流大，一般以开关形式工作。是电路的最主要干扰源。应防止其对其他电路的干扰，另外，应避免引线电感引起的栅极（MOSFET/IGBT）电路振荡。

布局基本原则：

a.       控制电路部分尽量远离功率输出部分和驱动电路的输出端，尤其是其模拟部分。

b.       驱动电路信号输入部分尽量远离功率输出部分。

c.       控制和驱动电路的元件应围绕其电路核心部件进行布局，以尽量缩短器件之间连线为原则进行合理排列。（连线短意味着少接收电磁辐射。）

d.       驱动电路输出端与功率输出器件的位置靠近，避免引线电感引起的栅极振荡。（MOSFET/IGBT适用。）

e.       如有必要，可采用电磁屏蔽方式以降低干扰。

2.       布线

合理走线的前提是对于电路工作情况非常熟悉。如，了解哪些导线传送模拟信号，哪些是数字信号；哪些导线的信号频率高，哪些是低频；哪些导线是强电，哪些上面加载的是弱电；哪些导线是大电流工作，哪些是小电流；大电流的导线上电流的最大可能值是多少等等。

熟悉这些之后，我们通过以下几方面来实现电路的合理布线：

a.       合理走线

合理走线，就是设法减小电路中的分布电容、杂散电感及其对电路的影响。

分布电容：对于高频信号，或者对脉冲信号的上升沿、下降沿要求较高的电路，要尽量减小分布电路。具体做法：增大导线间距或避免导线平行，双层板尤其要避免导线平行，应尽量保持相互垂直（双层板上的导线如果平行，分布电容比单面的更大）。

杂散电感：传送高频信号的部件尽可能离得近一些，其连线尽可能短，而相互间传送低频信号的部件即使离得稍远一些，连线稍长一些也无妨。

b.       地线连接

较大的工作电流流过比较长的地线，在地线两端就会产生一个电位差，这个电位差有可能会引起控制电路的自激或信号串扰，破坏控制电路工作的精度。而驱动电路部分和功率输出部分的电流更大，在地线两端产生的电位差同样不容忽视；还有一种情况，就是数字电路和模拟电路同时存在的情况，为了避免互相干扰，两条回路需要分开走，即数字地与模拟地分开，然后采用下述一点接地将两个地连接起来。

解决方法：一点接地方式。即，将一个单元的所有接地线先连接在一起，形成一个集中的接地点，然后再与其他单元电路的接地点并接在一起构成整个地线。这样，即使地线两端有一定得电位差，作为每一个单元电路，其内部元件所接的电位是基本相同的，单元电路的工作不会受到影响。

此外，电源线与地线最好并行相邻排列，这样可使每个环路所包围的面积最小，减小电磁干扰。

c.       导线的宽度及间距

导线宽度越宽，其导通电阻就越小，过流能力就越强，但分布电容也会随之增加。因此，电流比较小的弱信号线，可使导线宽度窄一些，一般12mil就足够了，如果导线长度短，导线宽度还可再窄些；而通过大电流的导线则应足够宽，一般来说，在线路板上，每<?xml:namespace prefix = st1 ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:smarttags" />1mm导线宽度可承载1A的连续电流（这个值为经验估算值，此值留有充足安全裕量-Margin），可按此比例计算承载大电流时的导线宽度。（具体线宽、铜箔厚度与电流关系请参照附表1）

对于电压比较高的导线，为安全起见，应与其他导线之间留有足够的间隔，这个间隔称为爬电距离。爬电距离主要用于防止导线间因空气击穿而打火。据一般经验，爬电距离为1mm/50V。但在高湿度环境下，该距离是不够的，这时线路板表面要浸盖绝缘树脂，进行防湿和绝缘处理。具体爬电距离参考各国爬电距离标准。

3.       散热

功率器件在工作中，由于自身的功率损耗，将引起器件本身的发热。功率损耗原因有两个：功率器件导通时的通态损耗；功率器件开关过程中产生的开关损耗。

通态损耗：功率管导通时存在饱和压降，于是产生通态损耗。通态损耗与功率器件的饱和压降U_on、承载电流I_T以及占空比D有关。

P_C = I_T U_onD

开关损耗：功率器件在开通时不能瞬间完全导通，逐渐下降的电压和逐渐上升的电流将产生开通损耗P_on。同样，在关断时器件无法瞬间完全截止，逐渐下降的电流和逐渐上升的电压将产生关断损耗P_off。开通损耗与关断损耗的总和即为功率器件的开关损耗P_s。开关损耗主要与器件的承载电压U_T、电流I_T以及开关频率有关：

阻性负载：                                 P_S = I_T U_T (t_on + t_off) f_S／6

感性负载：                                 P_S = I_T U_T (t_on + t_off) f_S／2

其中，

t_on     —— 功率器件的结温

t_off     —— 外界环境的温度，通常将外界环境温度取值为25℃

热传输遵循热路欧姆定律：

T_J－ T_A = PR_θ

其中，

T_J     —— 功率器件的结温

T_A    —— 外界环境的温度，通常将外界环境温度取值为25℃

P     —— 器件的功率损耗，即热流（W）

R_θ    —— 热阻（℃／W）

由于功率器件的PN结到大气环境的热阻相当高，通常是数十℃/W，因此，如果功耗过大的话，需要通过加装散热器来解决散热问题。

采用散热器散热时的热阻为：

R_θ = R_θJC + R_θCS + R_θSA

其中，

R_θJC —— 功率器件PN结到外壳的热阻

R_θCS—— 功率器件外壳与散热片接触面处的热阻

R_θSA—— 散热片到大气环境的热阻

小结：

       以上为本人学习工作之经验总结，仅供参考，不正之处不吝指正。散热一节较浅显，具体计算与细节在将来对达林顿管、功率MOSFET管计算选型文章中介绍，敬请关注。

附表1