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功率电子电路布局布线及散热处理
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功率电子电路布局布线及散热处理
作者：麦斯艾姆
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 涓扇牛。 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 涓扇牛 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 涓衾氩坏保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
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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。
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作者：麦斯艾姆
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 涓扇牛。 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 涓扇牛 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 涓衾氩坏保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
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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。
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