电机驱动器pcb布局标准是什么（电机驱动器pcb布局标准规范）

直流电机驱动电路的设计目标

在直流电机驱动电路的设计中，主要考虑以下几点：

功能：电机是单向旋转还是双向旋转？需要调速吗？对于单向电机驱动，只需使用大功率晶体管或场效应管或继电器直接驱动电机即可。当电机需要两个方向旋转时，可以采用由4个功率元件组成的H桥电路或采用双刀双掷继电器。如果不需要调速，只需使用继电器即可；但如果需要调速，可以采用晶体管、场效应晶体管等开关元件来实现PWM（脉宽调制）调速。

性能：对于PWM调速电机驱动电路，主要性能指标如下：

输出电流和电压范围决定了电路可以驱动电机的功率有多大。效率，高效率不仅意味着节省功耗，还意味着减少驱动电路产生的热量。要提高电路的效率，可以从保证功率器件的开关工作状态、防止共态导通（H桥或推挽电路中可能出现的问题，即两个功率器件在同时打开以短路电源）。对控制输入的影响。电源电路的输入端应有良好的信号隔离，防止高压、大电流进入主控电路。这可以通过使用高输入阻抗或光电耦合器实现隔离来实现。对电源的影响。共模传导会引起电源电压瞬间下降，造成高频电源污染；大电流可能会导致接地电位浮动。可靠性。无论添加何种控制信号或无源负载，电机驱动电路都应尽可能安全。 1、输入及电平转换部分：

输入信号线从DATA引入，1脚为地线，其余为信号线。请注意，引脚1 和地之间连接有一个2K 欧姆的电阻。当驱动板和微控制器分别供电时，这个电阻可以为信号电流提供返回的路径。当驱动板和单片机共用电源时，这个电阻可以防止大电流沿着连接线流入单片机主板的地线，造成干扰。也就是说，相当于将驱动板的地线与单片机的地线分开，实现“一点接地”。

高速运算放大器KF347（也可用TL084）作为比较器，将输入逻辑信号与指示灯和二极管提供的2.7V参考电压进行比较，转换成幅度接近的方波信号。到电源电压。 KF347的输入电压范围不能接近负电源电压，否则会出现错误。因此，在运放的输入端添加了一个二极管，以防止电压范围溢出。输入端的两个电阻之一用于限制电流，另一个用于在输入悬空时将输入拉低。

不能用LM339或其他开路输出比较器来代替运放，因为开路输出的高电平输出阻抗在1千欧以上，压降较大，后级晶体管会无法切断。

2.栅极驱动部分：

后面由晶体管、电阻和稳压管组成的电路进一步放大信号，驱动场效应管的栅极，并利用场效应管本身的栅极电容（约1000pF）进行延迟，防止场效应管在H 桥的上臂和下臂上。同时传导（“共模传导”）会导致电源短路。

当运放输出端为低电平（约1V2V，不能完全为零）时，下晶体管截止，场效应晶体管导通。上述晶体管导通，场效应管截止，输出高电平。当运放输出为高电平（大约为VCC-（1V至2V），未完全达到VCC）时，下晶体管导通，场效应晶体管截止。上述三极管截止，场效应管导通，输出低电平。

以上分析是静态的，下面讨论开关转换的动态过程：三极管的导通电阻远小于2千欧，所以当三极管导通时，可以快速释放场效应管栅极电容上的电荷。从关到开的切换，场效应管快速截止。然而，当晶体管从导通切换到截止时，场效应晶体管栅极需要一定的时间才能通过2千欧电阻充电。相应地，场效应晶体管从导通切换到截止的速度比从截止切换到导通的速度快。如果两个晶体管的开关动作同时发生，该电路可以使上下臂的场效应晶体管先关断后导通，消除共态导通现象。

事实上，运放输出电压的变化需要一定的时间。在此期间，运算放大器输出电压处于正电源电压和负电源电压之间的中间值。此时，两个晶体管同时导通，场效应晶体管同时截止。所以实际电路比这种理想情况更安全。

场效应管栅极处的12V齐纳二极管用于防止场效应管栅极过压击穿。一般场效应晶体管栅极的耐压为18V或20V。如果直接施加24V的电压，就会击穿。因此，这个齐纳二极管不能用普通二极管代替，但可以用2千欧姆的电阻代替，也能得到同样的结果。 12V分压。

3、场效应管输出部分：

大功率场效应管的源极和漏极之间反并联有二极管。当用作H桥时，相当于在输出端并联了四个二极管，以消除电压尖峰，因此这里没有外部二极管。在输出端（out1和out2之间）并联一个小电容对于降低电机产生的峰值电压有一定的好处，但是它有使用PWM时产生峰值电流的副作用，所以容量不宜太大大的。当使用小功率电机时，可以省略该电容器。如果加上这个电容，必须是耐压高的。普通陶瓷电容器可能会出现击穿和短路故障。

由电阻、发光二极管和电容器并联在输出端组成的电路指示电机的旋转方向。

4、性能指标：

电源电压15~30V，最大连续输出电流5A/每个电机，短时间内（10秒）可达10A，PWM频率最高可达30KHz（一般为1~10KHz） 。电路板包含4个逻辑上独立的功率放大单元，其输出端成对连接形成H桥，可由单片机直接控制。实现电机的双向旋转和调速。

5、PCB布局及走线：

大电流走线应尽可能短、粗，并尽量避免穿过过孔。如果必须穿过过孔，请将过孔做大一些（1mm），并在焊盘上制作一圈小过孔。焊接时使用焊锡。一定要填满，否则可能会烧坏。另外，如果使用稳压管，场效应管源极到电源、地的连线应尽可能短、粗。否则，当电流较大时，这根线上的压降可能会通过正向偏置的稳压管和地。导电晶体管将其烧毁。最初的设计中，在NMOS管的源极和地之间接了一个0.15欧姆的电阻来检测电流。这个电阻成了不断烧板的罪魁祸首。当然，如果把稳压管换成电阻，这个问题就不会存在。

电机驱动电路的PCB需要特殊的冷却技术来解决功耗问题。印刷电路板(PCB) 基材，例如FR-4 环氧玻璃，导热性较差。相比之下，铜的导热性非常好。因此，从热管理的角度来看，增加PCB 中的铜面积是理想的选择。厚铜箔（例如：2 盎司（68 微米厚））比薄铜箔导热性能更好。然而，使用厚铜箔成本更高，并且难以实现精细的几何形状。

因此，使用1 盎司（34 微米）铜箔变得普遍。通常，外层使用 盎司至1 盎司铜箔。多层电路板内层采用实心铜面，散热良好。然而，由于这些铜平面通常放置在电路板叠层的中心，因此热量会积聚在电路板内部。增加PCB外层的铜面积并通过许多过孔将其连接或“缝合”到内层有助于将热量传递到内层的外部。

由于存在走线和元件，双层PCB 的散热可能会更加困难。因此，必须提供尽可能多的实心铜表面并实现与电机驱动器IC 的良好热连接。在两个外层添加铜区域并通过许多过孔将它们连接起来，有助于在由走线和组件分隔的区域之间散热。

A。走线宽度：越宽越好

由于电机驱动器IC 会吸入大电流（在某些情况下超过10 A），因此应仔细考虑进出设备的PCB 走线宽度。走线越宽，电阻越低。必须调整走线尺寸，以便走线电阻不会消耗过多功率并导致走线发热。太小的走线实际上可以充当电子保险丝并且很容易烧断！

设计人员经常使用IPC-2221 标准来确定适当的走线宽度。本规范提供了相应的图表，显示了各种电流水平和允许温升下的铜横截面积，这可转换为给定铜层厚度的走线宽度。例如，在1 盎司铜层中承载10 A 电流的走线需要比7 毫米稍宽，才能实现10C 的温升。对于1A 电流，走线宽度仅需0.3mm。

鉴于此，10A 的电流似乎不可能流过微小的IC 板。

重要的是要了解IPC-2221 中建议的走线宽度适用于长距离的恒定宽度PCB 走线。可以使用更短的PCB 走线传递更大的电流，而不会产生任何不利影响。这是因为短而窄的PCB 走线电阻较小，产生的任何热量都会被吸收到更宽的铜区域中，从而起到散热器的作用。

加宽PCB走线，

使IC板能够更好地处理持续电流。

例如，参见图片。尽管该器件的IC 板只有0.4 毫米宽，但它们必须承载高达3 A 的连续电流。所以我们需要使走线尽可能宽并且尽可能靠近设备。

走线较窄部分产生的任何热量都会传导到较宽的铜区域，因此较窄走线的温升可以忽略不计。

由于绝缘基板导热性能不佳，嵌入PCB 内层的走线无法像外层走线那样散热。因此，内部走线应设计为大约是外部走线宽度的两倍。

作为粗略指南，下表显示了电机驱动器应用中较长走线（超过约2 厘米）的建议走线宽度。

如果空间允许，请使用更宽的走线或带铜区域的布线，以最大限度地减少温升和压降。

b.散热孔：尽可能多地使用

过孔是小电镀孔，通常用于将走线从一层传递到另一层。尽管热通孔的制作方式相同，但它们用于将热量从一层传递到另一层。正确使用散热孔对于PCB 散热至关重要，但必须考虑几个工艺问题。

过孔具有热阻，这意味着当热量流过过孔时，过孔之间会出现一些温降，以C/W为单位测量。为了最大限度地减少这种热阻并提高通孔传热的效率，应使用大通孔，并且通孔应包含尽可能多的铜面积。

应使用大过孔（图片显示过孔的横截面），并且应包含尽可能多的铜面积，以最大限度地减少热阻。

尽管可以在PCB 的开放区域中使用大过孔，但过孔通常放置在IC 板区域内，以直接从IC 封装传递热量。在这种情况下，不能使用大过孔。这是因为大的电镀通孔可能会导致“镀锡”，即用于将IC 连接到PCB 的焊料向下流入通孔，导致焊点不良。

可以通过多种方式减少锡渗漏。一是使用非常小的过孔，以减少渗入孔中的焊料量。但小过孔的热阻较高，因此要达到相同的热性能，需要更多的过孔。

另一种技术是将通孔“帐篷”在板的背面。这需要去除电路板背面阻焊层中的凹口，以便阻焊层材料覆盖通孔。如果过孔较小，阻焊层会堵塞过孔；因此，焊料将无法渗透PCB。

然而，这可能会产生另一个问题：通量堆积。当通孔被堵塞时，助焊剂（焊膏的一种成分）可能会聚集在通孔中。某些助焊剂配方可能具有腐蚀性，如果不去除，随着时间的推移可能会导致可靠性问题。然而，大多数现代免清洗助焊剂工艺不具有腐蚀性，不会引起问题。

请注意，散热过孔不得使用热风焊盘，它们必须直接连接到铜区域。

散热孔应直接连接到PCB 上的铜区域。

建议PCB 设计人员与表面贴装技术(SMT) 工艺工程师一起审查PCB 组件，为装配工艺选择最佳的过孔尺寸和结构，特别是当散热过孔放置在IC 板区域内时。

C。电容器的放置

电机驱动器IC 的元件布局指南与其他类型的电源IC 类似。旁路电容器应尽可能靠近器件电源引脚放置，大容量电容器放置在其旁边。许多电机驱动器IC 使用启动和/或电荷泵电容器，这些电容器也应放置在靠近IC 的位置。

大多数信号直接在顶层路由。使用层间过渡处的多个过孔，将电源从大容量电容器路由到底层上的旁路和电荷泵电容器。

TSSOP 和QFN 封装的器件在底层有一块更大的裸露IC 板。 IC板连接到芯片的背面，用于排出器件的热量。 IC 板必须充分焊接到PCB 上以耗散功率。

用于沉积该IC 板焊膏的模具开口不一定在IC 数据表中详细说明。通常，SMT 工艺工程师对于模具上应沉积多少焊料以及模具应使用什么图案有自己的规则。

如果使用类似于IC板尺寸的单个开口，则会沉积大量焊膏。这可能会导致器件由于熔化焊料的表面张力而升起。另一个问题是焊料空洞（焊接区域内的空洞或凹口）。当助焊剂的挥发性成分在回流过程中蒸发或沸腾时，就会出现焊料空洞。这可能会导致焊料被推出焊点。

为了解决这些问题，对于大于约2 mm 的IC 板，焊膏通常沉积在几个小方形或圆形区域中。将焊膏分成更小的区域可以使焊料的挥发性成分更容易从焊膏中逸出，而无需置换焊料。

QFN 封装的焊模有四个小开口，用于在中央IC 板上沉积焊膏。

SOT-23 和SOIC 封装

SOIC 和SOT-23 封装等标准引线封装通常用于低功率电机驱动器。

为了充分提高引线封装的功耗能力，采用了“倒装芯片引线框架”结构。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。

倒装芯片引线框架结构有助于最大限度地提高引线封装的功耗能力。

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。

下图显示了“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。

倒装芯片SOIC PCB 布局

注意SMT板上没有热风焊盘；它们牢固地连接到铜区域。这对于实现良好的热性能至关重要。

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，以消除设备中的热量。

TSSOP 封装的底部通常有一个较大的裸露板以散热。

QFN 封装是一种无引线封装，器件外边缘周围有一块极板，器件底部中央有一块较大的极板。这个较大的板用于吸收芯片的热量。

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。

理想情况下，散热过孔直接位于电路板区域上。在TSSOP 封装示例中，使用18 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。

使用18 个散热孔阵列的TSSOP 封装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。

具有9 个散热孔的QFN 封装PCB 布局

图中的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。因此，该PCB 的热性能不如TSSOP 封装。

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对面，因此它们通常排列成长条状而不是小板。

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。

FCQFN 封装在芯片表面使用多排铜凸块粘合到引线框架

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。

FCQFN 封装IC 的PCB 布局

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。