高功率電路板設計技術探索

    安全性與不會妨害其它電子設備是設計高功率印刷電路板首要重點，所謂安全性包含電路無燃燒與觸電之虞，此外在相同筐體內不會造成其它電路誤動作，或是妨害其它電子設備的正常動作，也是必需注意的基本要項。有關安全性與對其它電子設備的干擾問題，事實上UL規範與EMC規範都有詳細的規定，為了符合UL與EMC的規範因此設計印刷電路板時，必需充分掌握安全規範的各項細節，尤其是噪訊(noise)造成的電路誤動作，造成事後對策非常頻繁的場合，往往是設計印刷pattern時未作事前檢討所致。如果電路設計與印刷pattern設計分屬不同單位時，電路設計者必需與印刷pattern設計者作充分的事前溝通。根據以往的經驗顯示pattern設計者一昧依循常識，解讀未作詳細說明的項目時，經常會招致嚴重的設計挫敗。有鑒於此本文要深入探討有關高功率印刷電路板的設計技巧。
 
高功率印刷電路板的十大基本設計要領

避免拉伸pattern，盡量削減多餘銅箔

削減多餘銅箔
一般認為所謂的pattern設計，直覺上?是單純的pattern layout，然而設計高功率印刷電路板的pattern並非單純的pattern layout，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
若與小信號的數字電路比較時，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征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組件之一，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] 。
0℃時銅的體積阻抗率率為 1.55×10^-8Ω∙m，100℃ 時為2.33×10^-8Ω∙m，因此T℃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?有1A，因此並未超過常用的安全值。
 　
表1 pattern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。
 

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IC ground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IC ground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gro und pattern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return pattern很細、頻率很高時，如果將pattern layout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3 return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電流等考慮，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，不過筐體與組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(summing point)等阻抗極高的pattern，極易受到即使?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patt ern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組件的pattern，因此自然的輸入端子的pattern長度會變長，有鑒於此設計上必需盡量將組件設於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。

不可在組件面設置pattern的場合

組件的封裝至pattern的距離是潛伏性問題
例如電解電容的外?Ｋ淙皇怯鎂??ilm封裝，不過大部份的場合卻無法保證該film的絕緣性，因此若在組件面作pattern配線，當pattern與電解電容的端子以及外?Ａ?郵保?涑傻o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。

組件面除外可設置pattern的case
為克服上述困擾必需避免在電解電容的下方作組件面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。

分散設置發熱組件
大部分的高功率電路組件都會產生大量熱能，因此必需藉助pattern與散熱器散熱。如果將發熱組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組件，然而事實上高功率電路基於低pattern阻抗要求，因此經常將組件集中設置，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trade off，再決定pattern的layout細節。