电机驱动器pcb布局设计图（电机驱动器pcb布局设计方案）

电机驱动IC 提供大量电流并消耗大量电能。通常，能量会耗散到印刷电路板(PCB) 的铜区域。为了确保PCB充分冷却，需要特殊的PCB设计技术。

使用大面积的铜！

铜是优良的热导体。由于PCB的基板材料（FR-4玻璃环氧树脂）是不良导热体。因此，从热管理的角度来看，PCB上的铜面积越多，热传导就越理想。

例如，2 盎司（68 微米厚）的铜板比更薄的铜板导热性能更好。然而，厚铜不仅价格昂贵，而且难以实现精细的几何形状。因此，通常使用1盎司（34微米厚）的铜板。外层板常采用1/2盎司镀铜，厚度可达1盎司。

多层板的内层常采用实心铜板，以达到更好的散热效果。然而，由于其平面层通常位于板堆叠的中心，因此热量可能被困在板内部。然后，您可以在PCB的外层添加铜区域，并使用过孔连接到内层以将热量传导出去。

由于双层PCB中存在走线和元件，散热也会变得更加困难。因此，电机驱动IC应尽可能多地采用实心铜板和过孔，以利于散热。在外板的两侧浇铜并使用过孔连接它们，将热量传播到由走线和组件分隔的不同区域。

走线必须宽——，越宽越好！

由于流经电机驱动IC的电流很大（有时超过10A），因此应仔细考虑通向芯片的PCB走线的宽度。走线越宽，电阻越低。必须调整走线的宽度，以确保走线中的电阻不会导致过多的能量耗散并增加走线的温度。但太细的走线很容易像电保险丝一样被烧断。

设计人员经常使用IPC-2221 标准来计算适当的走线厚度。该规范有一个图表，显示了不同电流水平下的铜横截面积和允许温升，可以将其转换为给定铜层厚度的走线宽度。例如，在1 盎司的铜层中承载10A 的电流需要7mm 宽的走线才能实现10C 的温升，因此对于1A 的电流，只需要0.3mm 的走线。

如果以此方式推断，似乎不可能通过微型IC 焊盘运行10A 电流。

因此，了解IPC-2221 标准对恒定宽度的长PCB 走线的宽度建议非常重要。如果走线连接到较大的走线或铜区域，则使用PCB 走线的一小部分来承载较大的电流不会产生不良影响。这是因为短而窄的PCB 走线电阻较低，它们产生的热量会被吸入更宽的铜区域。从图1 的示例中可以看出，尽管该器件中的导热垫只有0.4mm 宽，但它可以承载高达3A 的连续电流，因为走线已加宽，尽可能接近器件的实际宽度。

图1：加宽PCB 走线

由于较窄走线产生的热量传导至较宽的铜区域，因此窄走线的温升可以忽略不计。

嵌入PCB 内层的走线散热效果不如外层走线，因为绝缘体导热性能不佳。因此，内部走线的宽度应是外部走线的两倍。

表1 粗略给出了电机驱动应用中长走线（大于2 厘米）的建议宽度。

表1: PCB 走线宽度

如果空间允许，更宽的走线或覆铜可以最大限度地减少温升并减少电压降。

散热孔—— 越多越好！

过孔是一种小电镀孔，通常用于将信号迹线从一层传送到另一层。顾名思义，散热孔将热量从一层传递到另一层。正确使用散热过孔可以有效帮助PCB散热，但在实际生产中也需要考虑很多问题。

通孔具有热阻，这意味着每当热量流过通孔时，通孔之间就会存在温差，以摄氏度每瓦为单位测量。因此，为了尽量减少热阻，提高过孔的散热效率，过孔应设计得较大，且孔内覆铜面积越大越好（见图2）。

图2：通孔横截面

尽管大通孔可用于PCB 的开放区域，但通孔通常放置在导热垫内部，因为这样可以直接从IC 封装中散发热量。在这种情况下，不可能使用大过孔，因为太大的电镀孔会导致“渗锡”，即用于将IC 连接到PCB 的焊料流下通孔，导致焊点不良。

有多种方法可以减少“锡流失”。

一是使用非常小的过孔来减少渗入孔中的焊料量。但过孔越小，热阻越高，因此要达到相同的散热性能，需要更多的小过孔。

另一种技术是“覆盖”电路板背面的过孔。这需要去除背板上阻焊层中的开口，以便阻焊层材料覆盖过孔。阻焊层将覆盖小过孔，使焊料无法渗透PCB。

但这又产生了另一个问题：通量保留。如果使用阻焊层覆盖通孔，助焊剂将被困在通孔内。有些助焊剂配方具有腐蚀性，如果长期不去除会影响芯片的可靠性。幸运的是，大多数现代免清洗助焊剂工艺都是无腐蚀性的，不会引起问题。

这里需要注意的是，散热孔本身不具备散热功能，必须直接与铺铜区域相连（见图3）。

图3：散热孔

建议PCB设计人员与PCB组装厂的SMT工艺工程师协商，找到最佳的过孔尺寸和结构，特别是当过孔位于导热垫内部时。

焊接导热垫

在TSSOP 和QFN 封装中，大的散热垫焊接到芯片底部。这里的焊盘直接连接到芯片的背面，以散发设备的热量。焊盘必须良好地焊接到PCB 上以耗散功率。

IC 规范不一定指定焊膏的焊盘开口。通常，SMT 工艺工程师对于放置多少焊料以及通孔模具使用什么形状有自己的一套规则。

如果您使用与焊盘尺寸相同的开口，则需要使用更多焊料。当焊料熔化时，其张力导致设备表面凸起。此外，它还会导致焊料空洞（焊料内部出现凹痕或间隙）。当焊剂的挥发性物质在回流焊过程中蒸发或沸腾时，就会出现焊料空洞。这可能会导致焊料从接头中渗出。

为了解决这些问题，对于面积大于约2mm2的焊盘，通常将焊膏沉积在几个小的方形或圆形区域中。将焊料分布到多个较小的区域可以使助焊剂中的挥发性物质更容易蒸发，从而防止焊料浸出。

再次建议PCB设计师和SMT工艺工程师共同协商正确的导热垫开模。也可以参考网上的一些论文。

元件放置

电机驱动器IC 的元件布局指南与其他电源IC 相同。旁路电容应尽可能靠近器件电源引脚放置，并在其旁边放置一个大容量的电容。许多电机驱动IC会使用自举电容或电荷泵电容，这些电容也应该放置在IC附近。

请参考图5中的元件布局示例。图5显示了MP6600步进电机驱动的两层板PCB布局。大多数信号走线直接在顶层布线。将电源走线从大容量电容器路由到旁路，并使用底层上的多个过孔和替换层上的多个过孔。

图5: MP6600 组件放置

在本文的下一部分中，我们将讨论详细的电机驱动IC封装方法和PCB布局。

下一篇

本文的前一篇文章提供了有关使用电机驱动器IC 设计PCB 板的一些一般建议，需要仔细布局PCB 以获得适当的性能。在本文的下一部分中，将为使用典型封装的电机驱动器提供一些特定的PCB 布局建议。

引线封装布局

标准引线封装（例如SOIC 和SOT-23 封装）通常用于低功率电机驱动器（图6）。

图6: SOT 23 和SOIC 封装

为了充分提高引线封装的功耗能力，MPS采用了“倒装芯片引线框架”结构（图7）。在没有接合线的情况下，使用铜凸块和焊料将芯片接合到金属引线，从而使热量通过引线从芯片传导到PCB。

图7: 倒装芯片引线框架

通过将更大的铜区域连接到承载更大电流的引线来优化热性能。在电机驱动器IC 上，电源、接地和输出引脚通常连接到铜区域。

图8: 倒装芯片SOIC PCB 布局

图8 显示了“倒装芯片引线框架”SOIC 封装的典型PCB 布局。引脚2 是器件电源引脚。请注意，铜区域靠近顶部器件，而多个散热过孔将该区域连接到PCB 背面的铜层。引脚4 是接地引脚，连接到表面接地铜区域。引脚3（器件输出）也布线至更大的铜区域。

QFN 和TSSOP 封装

TSSOP 封装呈矩形，使用两排引脚。用于电机驱动器IC 的TSSOP 封装通常在封装底部有一个大的裸露板，以排出设备中的热量（图9）。

图9: TSSOP封装

QFN 封装是一种无引线封装，器件外边缘周围有一个极板，器件底部中央有一个较大的极板（图10）。这个较大的板用于吸收芯片的热量。

图10: QFN封装

为了消除这些封装中的热量，必须良好焊接裸露的电路板。裸露板通常处于接地电位，因此可以连接PCB 接地层。在图11 中的TSSOP 封装示例中，使用了18 通孔阵列，钻孔直径为0.38 mm。该过孔阵列的计算热阻约为7.7C/W。

图11: TSSOP PCB布局

通常，这些散热孔使用0.4 毫米或更小的钻头直径，以防止渗锡。如果SMT工艺需要更小的孔径，则应增加孔的数量，以保持整体热阻尽可能低。

除了位于电路板区域的过孔外，在IC本体的外部区域也提供了散热过孔。在TSSOP 封装中，铜区域可以延伸到封装末端之外，这为器件中的热量穿过顶部铜层提供了另一条路径。

QFN 器件封装边缘周围的电路板避免在顶部使用铜层来吸收热量。必须使用散热孔将热量散发到PCB的内层或底层。

图12 中的PCB 布局显示了一个小型QFN (4 4 mm) 器件。裸露的电路板区域仅容纳九个散热孔。 （见图12）因此，该PCB的热性能不如图11所示的TSSOP封装。

图12: QFN (4mmx4mm) 布局

倒装芯片QFN 封装

倒装芯片QFN (FCQFN) 封装与常规QFN 封装类似，但芯片通过倒装芯片直接连接到器件底部的电路板，而不是使用接合线连接到封装板。这些板可以放置在芯片上发热功率器件的相对侧，因此它们通常排列成长条而不是小板（见图13）。

图13: FCQFN封装

这些封装在与引线框架接合的芯片表面上使用多排铜凸块（图14）。

图14: FCQFN结构

小过孔可以放置在电路板区域内，类似于常规QFN 封装。在具有电源层和接地层的多层板上，过孔将这些板直接连接到各层。在其他情况下，铜区域必须直接连接到电路板，以便将IC 中的热量引入更大的铜区域。

图15: FCQFN PCB 布局

图15 显示了MPS Corporation 的功率级IC MP6540。该器件具有长电源层和接地层以及三个输出。请注意，封装尺寸仅为5mmx5mm。

设备左侧的覆铜区域为电源输入端口。这个较大的铜区域直接连接到设备的两个电源层。

三个输出板连接到设备右侧的铜区域。请注意，铜面积在退出电路板后尽可能扩大。这允许从板到周围空气的充分热传递。

另外，请注意设备右侧两块板上的一排小过孔。电路板接地，并且PCB 背面放置了坚固的接地层。通孔的直径为0.46毫米，钻孔的直径为0.25毫米。过孔足够小，可以容纳在电路板区域内。

总而言之，为了使用电机驱动器IC 实现成功的PCB 设计，必须仔细布局PCB。因此，本文提供了一些实用的建议，可以帮助PCB 设计人员实现PCB 板良好的电气和热性能。

作者：Pete Millett，Monolithic Power Systems 技术营销工程师，来源：MPS

审稿编辑：唐子红