PCB-Layout für High-Side-Schalter (Hochstrom)

Ich arbeite an einem PCB-Layout für zwei High-Side-Schalter. Unten sehen Sie ein Bild von meinem aktuellen Layout.

PCB-Layout

Das Kupfergewicht der zukünftigen Leiterplatte wird voraussichtlich 2 oz/ft² (doppelseitig) betragen. Ich verwende zwei p-Kanal-MOSFETs (IPB180P04P4). Ich erwarte 10 Ampere für den MOSFET auf der rechten Seite (ich entscheide mich dafür, sehr nahe am minimalen Footprint zu sein, Pd etwa 0,2 W) und 15 Ampere (U2, Spitze bei 30 Ampere, Pd etwa 0,45 W, max. 1,8 W) für den MOSFET links (U1, 8 cm² Kupfer).

IC1 ist ein Stromsensor.

Die Klemmenblöcke (U15, U16) sind von diesem Typ: WM4670-ND auf Digikey .

Um so viel Strom auf dieser Art von Leiterplatte zu ziehen, sagte mir einer der Online-Rechner, dass ich 20-mm-Leiterbahnen benötige. Um etwas Platz zu sparen, habe ich beschlossen, diese große Spur in zwei Spuren aufzuteilen (eine oben, eine unten). Beide Leiterbahnen verbinde ich mit einem Muster aus Durchkontaktierungen (Bohrergröße 0,5 mm auf einem Raster von 2x2 mm²). Ich habe keine Erfahrung mit dieser Art von Layout, also habe ich mir andere Boards angesehen und eine Dimension gefunden, die mir angemessen erschien. Ist dies über Muster der richtige Weg?

Unter den MOSFETs verwende ich die gleiche Art von Muster, aber mit einer kleineren Bohrgröße von 0,3 mm, um die thermische Verbindung herzustellen. Fließt das Lot bei dieser Größe besser? Keines der Vias ist bisher gefüllt ...

Ich denke auch darüber nach, keine Lötmaske auf diesen Spuren zu haben, das wäre, etwas Lötmittel auf das Kupfer aufzutragen.

Ich mache mir auch Sorgen um die Pads der MOSFETs. Ich habe mich entschieden, sie nicht mit Kupfer zu bedecken. Ich dachte, das Gerät könnte sich auf diese Weise selbst zentrieren, aber das könnte wahrscheinlich den Widerstand erhöhen ...

Bitte zögern Sie nicht, das Layout zu kommentieren!
Danke dir !

BEARBEITEN 1

Ich verbessere das Design leicht. Ich habe weitere Durchkontaktierungen unter den Wärmeleitpads der MOSFETs hinzugefügt. Unter den MOSFETs befindet sich etwas blankes Kupfer (falls ich in Zukunft einen Kühlkörper hinzufügen möchte).

Spitze v2

Bitte zögern Sie nicht zu kommentieren! Vielen Dank im Voraus !

BEARBEITEN 2

Ein neues Update zu diesem Entwurf. Ich habe die Kupferfläche um die Anschlüsse der MOSFETs vergrößert. Das sollte den Widerstand dieser Spuren verringern.

Ich habe weitere Durchkontaktierungen zwischen der oberen und der unteren Schicht hinzugefügt, um die Stromverteilung in diesen Schichten zu verbessern.

Ich habe beim Hersteller nachgefragt, ob ich unter den Geräten Vias hätte stecken können, um die Wärmeableitung zu verbessern. Er sagte mir, das sei fällig.

Ich glaube nicht, dass ich noch etwas ändern werde. Das war meine beste Vermutung, also kann ich es versuchen, wenn niemand einen Kommentar hat.

Oben Unten v3 Unten v3

Ein paar Dinge: Erstens möchten Sie wirklich nicht viele (oder irgendwelche) Durchkontaktierungen direkt unter Ihren MOSFETs. Entweder müssen Sie extra für das Platinenhaus bezahlen, um sie zu verstopfen, oder sie saugen das Lötzinn vom Teil weg (oder schlimmer noch, wenn die Durchkontaktierungen auf der Unterseite Zelt sind, können die austretenden Flussmitteldämpfe direkt darunter große Hohlräume hinterlassen der FET). Ich würde empfehlen, den Kupferbereich um das FET-Pad zu erweitern (wie Sie es links von U $ 2 getan haben) und dort weitere Durchkontaktierungen hinzuzufügen. Während das Auflöten von unmaskierten Spuren hilfreich sein kann, fügt es einen zusätzlichen Herstellungsschritt hinzu. Es spielt eine Rolle, ob Sie kostensensibel sind. Sieht nach einem lustigen Projekt aus!
Ja, es ist ein lustiges Projekt !! Vielen Dank für die Kommentare, der Hersteller stellt die Platinen bereits her. Auf diese Punkte werde ich auf jeden Fall achten. Ich mache mir Sorgen um die Durchkontaktierungen unter den MOSFETs. Sie sind nicht verstopft, aber ich gehe davon aus, dass sie das Lötmittel nicht zu sehr vom Teil wegleiten. Ich sprach über dieses Problem in einer anderen Frage. Über das Aufbringen von Lötzinn auf unmaskierte Leiterbahnen habe ich darüber nachgedacht und entschieden, dass das auch ohne funktionieren könnte. Das verringert auch die Wahrscheinlichkeit eines Kurzschlusses, was keine schlechte Sache ist ...
Im Kupferbereich ging mir leider der Platz aus. Wenn ich also die Wärmeabfuhr verbessern möchte, greife ich lieber zu einem Kühlkörper. Die Hohlräume unter den MOSFETs sind eines der Hauptprobleme, die ich bald lösen muss! Haben Sie einen Rat dafür (jetzt, wo die Bretter so hergestellt werden)?
Der Rat, den ich immer bekommen habe, ist, "niemals" offene Durchkontaktierungen in einem Pad zu verwenden. Manchmal muss ich, also habe ich ein paar reingesteckt, und bisher hat es geklappt. Sie tun Dochtlöten! Ich habe einmal eine Platine mit vielen davon gemacht (allerdings weniger als du ( grins )), und das Lot lief zur Unterseite der Platine und sammelte sich in einem großen Tropfen. Obwohl sich zwischen den Durchkontaktierungen der unteren Schicht Lötstopplack befand! Ein Versuch, dieses Problem zu lösen, besteht darin, die Durchgänge auf der unteren Schicht zu "zelten". Das bedeutet, dass sie mit Lötstopplack bedeckt sind. Es ist nur möglich, wenn die Durchkontaktierungen klein genug sind, um die Maske intakt zu halten ...
Das Problem dabei ist jedoch, dass sich ausdehnende Gase (entweder die Luft selbst oder aus dem Flussmittel) nicht durch die Unterseite der Platine entweichen können. Sie drücken gegen den FET und hinterlassen Blasen und Hohlräume. Keine gute Lösung. Wenn ich an Ihrer Stelle wäre und die Platinen bereits hergestellt werden, würde ich wahrscheinlich manuell Lötzinn in die Durchkontaktierungen leiten, bevor ich die FETs löte. Hoffentlich läuft es unten nicht aus :)
Interessant zu hören, dass Sie keine Durchkontaktierungen unter Pads zur Wärmeableitung vorschlagen. Ich habe vor einiger Zeit mit einigen Power-LEDs gearbeitet und Cree schlug ausdrücklich vor, Durchkontaktierungen unter den Pads hinzuzufügen, um die Fläche zu vergrößern, die die Wärme übertragen kann. Ich verstehe, dass sich die Gase ausdehnen! Wäre am Endergebnis interessiert!
Ich mag die anderen Antworten und habe etwas gelernt. Seien Sie vorsichtig, da der EIN-Widerstand mit der Temperatur schlechter wird, sodass er weglaufen könnte UND Schaltverluste häufig die Leitungsverluste bei Fets mit niedrigem EIN-Widerstand überschreiten
@AJBotha - Für Durchkontaktierungen in Pads lautet die allgemeine Empfehlung, "gesteckte" oder "gefüllte" Durchkontaktierungen zu erhalten, bei denen die Durchkontaktierungen mit einem (optional leitfähigen) Epoxid gefüllt und im Herstellungsprozess überzogen werden. Sie erhalten ein flaches Platinenfinish und die thermischen Vorteile einer Durchkontaktierung auf Kosten der Herstellungskosten.

Antworten (3)

Ich bin neugierig, wie Sie Ihre Verlustleistungszahlen abgeleitet haben. Wenn man sich das Datenblatt ansieht, sieht es so aus, als ob 10 Uhr morgens 200 mW (12 Grad Temperaturanstieg), 30 Ampere, 2,5 W bei einem Temperaturanstieg von 90 Grad (angesichts des Rthja von 40 Grad / W, was wahr zu sein scheint, selbst wenn Sie 6 cm ^ haben 2 des PCB-Bereichs).

Wenn Sie jedoch viel Wärme aus Ihren FETs ziehen möchten, können Sie ein 0,250-Zoll-Durchgangsloch bohren lassen und dann einen Kupferbolzen verwenden, der sich durch das Loch nach oben erstreckt und die Rückseite des Gehäuses kontaktiert. Sie könnte auch einen Kühlkörper auf die Oberseite kleben, aber es ist nicht so effektiv, wenn man versucht, durch das Gehäuse zu leiten.

Für Ihre Layout-Fragen sieht es aus wie eine 6-mil-Spur für alle Quell-Leads. Das wäre bei 30 A eine schlechte Wahl, schauen Sie im Vergleich dazu in eine 30-A-Sicherung :-) Das bedeutet, dass Sie sich auf dieser Spur etwas erwärmen. Welche Leiterbahnbreite Sie auch wählen, führen Sie die Berechnung mit dem von Ihnen gewählten Kupferpegel durch und verwenden Sie den aktuellen quadrierten x Widerstand, um zu berechnen, wie viele Watt diese Leiterbahn abführen wird.

Sie brauchen nicht alle Durchkontaktierungen, die Sie auf dem Pad haben. 5 ausreichen würde, um oben nach unten thermisch zu verbinden. Ich habe gesehen, dass Leute nur einen verwenden, aber Sie verlassen sich in diesem Fall stark auf die Platte des Lochs.

Tatsächlich fließt der meiste Strom vom IN-Block zum OUT-Block, das sind Klemmenblöcke. Ich sollte die Nummer noch einmal durchgehen, habe sie gerade nicht im Kopf, aber das hat am Ende gut geklappt. Ich bin mir nicht sicher, ob ich den Kupferschneckentrick verstehe ... OK für alle Durchkontaktierungen, ich wusste es nicht wirklich, also habe ich es auf diese Weise versucht. Gut zu wissen für das nächste Mal, danke!

Sie könnten erwägen, die Lötmaske über den Hochstromspuren zu entfernen und der Hasl-Beschichtung zu erlauben, sie ein wenig zu verdicken (und möglicherweise die Durchkontaktierungen zu füllen?).

Benutzt noch jemand HASL? Viele Leiterplattenhersteller unterstützen HASL nicht einmal mehr, da der Kostenunterschied praktisch gleich Null ist und ENIG ein besseres, flacheres Finish erzeugt.
Ich kann nur sagen, dass sie tatsächlich ein ENIG-Finish gemacht haben. Allerdings habe ich den Lötstopplack nicht entfernt, aber das war ein guter Punkt. Danke dir

Erwägen Sie die Verwendung einer Leiterplatte mit Aluminiumsubstrat, wenn Sie so viel Kühlleistung benötigen. Das ist eine Menge thermischer Vias, ich glaube nicht, dass viele Proto-Shops dies ohne zusätzliche Bohrgebühr machen werden.

Allgemeiner Kommentar, falls es jemandem hilft: Viele Orte ziehen eine Grenze bei 35 Bohrern pro Quadratzoll.
Ich kannte die Aluminium-Substrat-Leiterplatte damals nicht. Aber das hat schlussendlich geklappt. Ich habe kommerzielle Leiterplatten für hohe Ströme mit so vielen Durchkontaktierungen gesehen, also dachte ich, das kann nicht schaden. Ich weiß nicht wirklich, ob sie mir zusätzliche Gebühren berechnet haben, sie sagen nichts auf dem Angebot ... aber das bedeutet nicht, dass sie mir keine Gebühren berechnet haben, denke ich.
PCB-Layout für High-Side-Schalter (Hochstrom)
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