平时我们接触的开发板或控制板，工作电流大多在1A以下。但当需要驱动大功率设备，例如电机、工业电源或进行电源管理时，PCB走线可能需要承载数十甚至上百安培的电流。100A级别的电流绝非小数目，如果设计不当，极易导致PCB严重发热、电压大幅下降，甚至直接烧毁线路。今天我们就来深入探讨，如何在PCB上安全、稳定地走通100A大电流。
一、为何普通PCB走线难以承载大电流？
想象一下，PCB上的铜箔就像是道路，而电流就如同车流。原本设计用于通行小轿车（毫安级信号）的乡村小道，突然要连续通过重型卡车（安培级电流）组成的车队，结果必然是拥堵、路面损坏（发热）乃至事故（烧毁）。
常见的单片机开发板走线，通常只能安全承载1-2A的电流。这主要受限于以下几个因素：铜箔厚度过薄、走线宽度不足、以及由此带来的严重温升问题。简单来说，导体的截面积决定了其载流能力，电流计算与导体选择是电路设计的基础。
二、实现100A级大电流走线的核心方案
面对大电流挑战，我们需要从增加导体截面积和加强散热两方面入手。以下是几种行之有效的方案：
方案一：增加铜箔厚度
这是最直接有效的方法。标准PCB的铜厚通常是1oz（约35μm）。我们可以选择：
- 使用2oz铜厚（约70μm），能显著提升载流能力。
- 在专业的大电流板卡中，甚至会用到3oz或4oz的厚铜工艺。
需要注意的是，外层铜箔通常比内层更厚，因此应优先将大电流走线布置在PCB的外层（顶层或底层）。
方案二：开窗镀锡（Solder Mask Open with Plating）
这是一种性价比极高的方法。具体操作是在PCB设计文件中，将大电流走线区域的阻焊层（Solder Mask）打开，露出底层铜皮。PCB制板厂会在这些裸露区域镀上厚厚的锡层。
- 效果：锡层可以额外增加0.05-0.1mm的导体厚度，大幅增加有效截面积。
- 设计要点：在EDA软件中，需对大电流走线单独设置“开窗”属性，工厂看到Gerber文件中的这些标识就会执行镀锡工艺。理解制造工艺对设计的影响至关重要。
方案三：多层走线并联
当单层走线宽度受板尺寸限制时，可以利用多层PCB进行电流分流。例如，在4层板中，可以将同一路大电流走线同时布置在顶层和底层，并使用大量过孔将这两层牢固地连接起来。
- 关键：这里的过孔不是普通的信号过孔，而是需要计算数量和直径，确保其能分担足够电流的“电流孔”。
- 注意：内层铜箔通常较薄（如0.5oz），其载流能力需单独评估。
方案四：使用铜条或独立导线
如果PCB自身的载流能力已达到极限，最稳妥的方法是在PCB之外并联辅助导体。
- 做法：在PCB的电流路径上焊接铜条或粗电缆，或者使用焊盘加螺丝固定的方式连接大电流器件（如MOS管、接线端子）。
- 场景：这种“PCB走信号，铜条走电力”的方案，在电机驱动器、大功率电源模块中极为常见。
方案五：强化散热设计
只要有电流就会产生热量，大电流下的散热是设计成败的关键。
- 增加散热过孔：在大电流走线旁密集打一排过孔，有助于将热量传导至PCB背面散发。
- 连接散热片：将大电流走线区域（或功率器件下方的铜皮）设计为可以直接安装散热片的平面。
- 避免“窄颈”：走线全程需保持均匀足够的宽度，任何突然变细的地方都会成为热点和瓶颈，加剧局部发热情况。
三、重要设计检查事项与安全提醒
- 温升测试：设计完成后，务必使用热成像仪或热电偶进行实际负载下的温升测试，确保所有部位的温度在安全范围内。
- 电压降计算：长距离的大电流走线会产生不可忽视的压降，需提前计算，以免影响后端设备的正常工作。电压下降的计算与控制是电源完整性设计的一部分。
- 安全第一：大电流意味着高能量，存在火灾风险。在原型测试阶段务必做好充分的防护措施。
- 量产工艺：若采用“开窗镀锡”等特殊工艺，需提前与PCB板厂沟通，确认其工艺能力和对量产良率的影响。
最终建议：对于需要持续工作的100A级别电流，仅依靠优化PCB走线有时仍会捉襟见肘，面临巨大的散热和可靠性压力。如果设备空间允许，最可靠、最经典的方案依然是使用铜排或粗导线，直接在PCB的输入/输出连接器之间“飞线”，让PCB专注于其擅长的信号控制与逻辑处理，而将电力传输任务交给更专业的导体。这在工业电源、电机驱动和新能源领域是一种非常成熟和普遍的做法。
总而言之，大电流PCB设计的核心在于尊重物理规律：为电流提供足够低阻抗的路径，并为产生的热量规划高效的散发渠道。牢记“先计算，后布局，多验证，安全第一”的原则，才能设计出稳定可靠的产品。想了解更多硬件设计与底层原理，欢迎访问 云栈社区 与其他开发者交流探讨。 | 
发表于 昨天 08:44
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