一般的PCB绘制软件对器件引脚的过孔焊盘铺铜时往往有几种选项:直角辐条 , 45度角辐条 , 直铺 。他们有何区别呢?新手往往不太在意 , 随便选一种 , 美观就行了 。其实不然 。主要有两点考虑:一是要考虑不能散热太快 , 二是要考虑过电流能力 。
使用直铺的方式特点是焊盘的过电流能力很强 , 对于大功率回路上的器件引脚一定要使用这种方式 。同时它的导热性能也很强 , 虽然工作起来对器件散热有好处 , 但是这对于电路板焊接人员却是个难题 , 因为焊盘散热太快不容易挂锡 , 常常需要使用更大瓦数的烙铁和更高的焊接温度 , 降低了生产效率 。使用直角辐条和45角辐条会减少引脚与铜箔的接触面积 , 散热慢 , 焊起来也就容易多了 。所以选择过孔焊盘铺铜的连接方式要根据应用场合 , 综合过电流能力和散热能力一起考虑 , 小功率的信号线就不要使用直铺了 , 而对于通过大电流的焊盘则一定要直铺 。至于直角还是45度角就看美观了 。
为什么提起这个来了呢?因为前一阵一直在研究一款电机驱动器 , 这个驱动器中H桥的器件老是烧毁 , 四五年了都找不到原因 。在一番辛苦之后终于发现:原来是功率回路中一处器件的焊盘在铺铜时使用了直角辐条的铺铜方式(而且由于铺铜画的不好 , 实际只出现了两个辐条) 。这使得整个功率回路的过电流能力大打折扣 。虽然产品在正常使用过程没有任何问题 , 工作在10A电流的情况下完全正常 。但是 , 当H桥出现短路时 , 该回路上会出现100A左右的电流 , 这两根辐条瞬时就烧断了(uS级) 。然后呢 , 功率回路变成了断路 , 储藏在电机上的能量没有泻放通道就通过一切可能的途径散发出去 , 这股能量会烧毁测流电阻及相关的运放器件 , 击毁桥路控制芯片 , 并窜入数字电路部分的信号与电源中 , 造成整个设备的严重损毁 。整个过程就像用一根头发丝引爆了一个大地雷一样惊心动魄 。
那么,为什么在功率回路中的焊盘上只使用了两个辐条呢?为什么不让铜箔直铺过去呢?因为 , 生产部门的人员说那样的话这个引脚太难焊了!
二、PCB载流能力的设计经验
从项目实际经验来看 , 往往在SoC之外的部分 , 比如电源输入 , DCDC输出 , LDO输出 , PCB走线的宽度容易满足——因为空间充足 , 不太容易出问题 。而在SoC的部分 , 由于管脚很密 , 会导致电源层铺好的铜箔被过孔打断 , 导致过流能力大打折扣 , 如果不注意 , 那么会出现问题 。
先说电源系统部分 。
DCDC的输出电容之后 , 一般会直接打过孔连到内层去 。这里要注意打孔不可以过于密集 , 每个过孔之间要留足过电流的铜箔宽度 。否则就会导致DCDC的输出能力是足够的 , 但就是送不到后面去 。
下面2个示意图 , 第一张图片的效果明显优于第二张图片 。当然 , 图二是一款核心板 , 板子面积比较有限 , 很不充裕 , 是一个重要的影响因素 。
图片 图片
再说SoC部分
比如下图 , 是到SoC的电源平面 , 可以看到初始铺的各个电源平面的宽度是足够的 , 但是在SoC往外走线的过程中缩水了很多 。这种情况下就要严格计算实际有效的过电流宽度 , 看是否能满足需要 , 如果有不足 , 那么就要想办法补足 。
比如下面两个图片 , 第一张图片的过电流能力 , 锗红色部分(1.5V)还可以 , 深绿色部分(1.0V)其实被打断了很多 , 而深绿色部分恰恰是core电源 , 电流需求比较大 , 经过测量、计算红框内的实际过电流能力 , 还能满足需求 。
而第二张图片中 , 可以看到原本设计的电源平面被各种过孔分割的支离破碎 , 非常危险 。其中黄色部分是1.2V , DDR电源 , 还可以满足需求 。而粉红色部分 , 是core电源 , 原来的电流平面(黄色圈起来的部分)只剩下少许能通到内部用电管脚 , 有效的过电流能力完全无法满足要求 , 最终在红框部分增加了一条电流通路 , 才能勉强满足要求 , 即便如此 , 余量仍然不够充分 。但限于实际情况——项目周期周期紧张 , PCB面积有限 , 加之本身是改版(第一版完全没有注意到这一点) , 也只能勉强接受 。所以 , 在首版设计过程中 , 这些部分一定要注意 , 充分检查 , 充分修改 , 否则到了第二版 , 周期短 , 限制多 , 加之首版测试可能并没有发现不良现象 , 修改的难度和可行性都会大大降低 。
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