如何解决PCB的散热和RF问题

很久以前，在较低的频率和离散的点对点布线的“旧时代”中，构建物理电路最需要的是原理图，完善的BOM表，以及可能在施工前完成的相关装配图。就是这样基本原理图显示了电路组件之间的互连，并且经常有一些有用的注释，例如“不要将组件x放置在组件y附近”。所构建的电路存在电线布线和线束问题，这些问题是切实而直接的。

那些日子已经一去不复返了，PCB现在统治着我们的世界。这些PCB从低端消费产品的廉价，单面，穿孔酚醛板到多层，薄走线，紧密走线间隔以及层间无数通孔的电路板。在这里，值得一提的是，via代表垂直互连访问，但是如今很少被说明。

没有这些密集的板及其功能，我们将陷于困境。就这么简单。较小的组件导致更紧密的电路板，而较紧的电路板则支持越来越小的组件。现在，无源和有源组件的侧面尺寸通常只有几毫米甚至更少。

PCB散热问题

这些高密度PCB存在严重的散热和RF问题。幸运的是，这里有可用的帮助。最近，我看到了道格拉斯·布鲁克斯（Douglas Brooks）和约翰内斯·亚当斯（Johannes Adam）所写的一本新书，标题为“通孔，走线电流和温度的PCB设计指南”，无废话（Artech House，ISBN 978-1-63081-860-9） 。这本占地246页的重磅书告诉您与PCB走线和布局相关的散热问题。

这本书远远超出了基础知识，可以无意间引起董事会设计者的内心和恐惧。如果您对与PCB走线有关的热问题的了解始于重要的行业指南“ IPC-2152：确定印刷电路板设计中的载流量的标准”，则您需要更加了解，因为该标准仅仅是冰山一角。

本书涵盖的众多问题包括敏感性分析，显示了当操作环境变化时会发生什么。这包括对相邻迹线和平面的影响，迹线长度的变化和热梯度的存在，以及定影问题和迹线过载的后果。它还考察了众所周知的走线和过孔电压降的影响，直角附近的热效应以及如何覆盖频率效应。

PCB走线的“定影”问题会引起个人共鸣。许多年前，在进行一个项目时，我们有载有10 A直流母线的电路板走线，除了在一个小地方外，它们的尺寸相对于该电流而言都是保守的。电路板设计人员/版图设计人员手动将轨迹“缩颈”到几毫米的细头发上，这样它就可以“潜入”一个更大的组件。几个月后，我们在直流电源分配树上出现了随机的现场故障。

长话短说：由于电流和持续时间，工作环境以及其他因素的影响，I2R在现场和开路时的随机耗散会导致痕迹的细小条充当保险丝。花费了一段时间来缩小范围并跟踪问题（预期的双关语）。幸运的是，返修很容易：将一根细的跳线与变细的导线平行焊接到板上，从而完全解决了问题。

PCB上的RF问题

当然，PCB绝不只是带有直流电的走线和平面；它的作用还不止于此。还有一个RF世界，其时钟和频率跨越数百兆赫兹和千兆赫兹。具有讽刺意味的是，RF和DC世界确实重叠，因为各种类型的寄生虫和电流路径直接影响RF性能并使模型复杂化，而这种情况的真实模型具有挑战性。

重合这本书，我碰到一个PowerPoint演示文稿想出了一个温和的，几乎是无辜的标题“的‘勤’神话”，由布鲁斯·Archambeault博士，IBM杰出工程师和电子工程师协会会员。尽管由于其2007年的日期而显得有些古老，但这种可读性强，清晰易懂的演示文稿的课程是永恒的​​，并且在今天尤为重要。尽管有105张幻灯片，但它从来没有让人感到不知所措，因为它既简单又不简单。网上有许多不同形式和长度的类似演讲，这是我阅读过的最好的演讲之一。

电磁，趋肤效应，电感，接地和返回电流路径这五个主要部分中的每一个都具有足够的背景知识和理论来满足所需的上下文，并具有实用的解释和清晰，内容丰富且精巧的插图。甚至还有一些幽默的幽默，对于这个话题来说这并不容易。有些要点是显而易见的，但值得重复，而其他要点则不太明显（图2）。

图2电流的简单图清楚地提醒了由于设计和开发过程的压力而忽略了基本规则。（图片来源：布鲁斯·阿坎博特）

我对这两种资源特别感兴趣的是，它们不涉及复杂的分析，深层物理学或密集的数学。本书和PowerPoint演示都体现了“返璞归真”的观点，并扩大了重述和对基础的提醒，提供了更新的观点，使设计师在“纸上”设计变得切实时需要注意什么。

很容易陷入高阶场和微分方程中，但对于固体工程而言，IR压降，I2R耗散，热基本原理，阻抗和电流路径的基础很重要，因此要在良好和可靠的设计之间进行区别而不是边缘的或更差的。毕竟，对于性能良好的产品而言，完美的原理图和无bug的软件（至少是有bug的软件）是必需的，但还不够。

您是否曾经发现PCB迹线尺寸和散热问题或DC和RF返回电流之类的基础知识，成为使设计合格的最大“头痛”？您是否早就体会到了挑战，却努力说服其他人解决问题的可能性？
编辑：hfy