大功率PCB的设计

与 PCB 设计过程一样令人着迷和具有挑战性的是，采取所有必要的预防措施以确保电路正常运行非常重要，尤其是在处理高功率 PCB 时。随着电子设备的尺寸不断缩小，电源和热管理等设计方面必须得到应有的考虑。本文将介绍设计人员在设计适合支持高功率应用的 PCB 时可以遵循的一些指南。

走线宽度和厚度

原则上，轨道越长，其阻力越大，散热量越大。由于目标是最小化功率损耗，为了确保电路的高可靠性和耐用性，建议使传导高电流的走线尽可能短。要正确计算轨道的宽度，知道可以通过它的最大电流，设计人员可以依靠 IPC-2221 标准中包含的公式，或使用在线计算器。

至于走线厚度，标准 PCB的内层典型值约为 17.5 µm (1/2 oz/ft ² )，外层和接地层约为 35 µm (1 oz/ft ² ) . 大功率 PCB 通常使用较厚的铜来减少相同电流的走线宽度。这减少了 PCB 上走线占用的空间。较厚的铜厚度范围为 35 至 105 µm（1 至 3 oz/ft ²），通常用于大于 10 A 的电流。较厚的铜不可避免地会产生额外的成本，但有助于节省卡上的空间，因为粘度更高，所需的轨道宽度要小得多。

PCB布局

电路板布局应从 PCB 开发的早期阶段开始考虑。适用于任何大功率 PCB 的一个重要规则是确定电源所遵循的路径。流经电路的功率的位置和数量是评估 PCB 需要消散的热量的重要因素。影响印刷电路板布局的主要因素包括：

• 流经电路的功率电平；
• 电路板工作的环境温度；
• 影响电路板的气流量；
• 用于制造PCB的材料；
• 填充电路板的组件的密度。

尽管对于现代机械，这种需求不那么迫切，但在改变方向时，建议避免直角，而是使用 45° 角或曲线，如图 1 所示。

图 1：PCB 上一个角的布线

 

元件放置

首先确定大功率元件在 PCB 上的位置至关重要，例如电压转换器或功率晶体管，它们负责产生大量热量。大功率组件不应安装在电路板边缘附近，因为这会导致热量积聚和温度显着升高。高度集成的数字组件，如微控制器、处理器和 FPGA，应位于 PCB 的中心，以实现整个电路板的均匀热扩散，从而降低温度。在任何情况下，功率元件决不能集中在同一区域，以免形成热点；相反，线性排列是优选的。图 2显示了电子电路的热分析，热集中度最高的区域以红色突出显示。

图 2：电子电路的热分析

图 2：电子电路的热分析

布局应从功率器件开始，其走线应尽可能短且足够宽，以消除噪声产生和不必要的接地回路。一般来说，以下规则适用：

• 识别和减少电流回路，特别是高电流路径。
• 最大限度地减少组件之间的电阻电压降和其他寄生现象。
• 将大功率电路远离敏感电路。
• 采取良好的接地措施。

在某些情况下，最好将组件放置在几个不同的板上，只要设备的外形允许这样做。

热管理

适当的热管理对于将每个组件保持在安全温度范围内是必要的。结温不应超过制造商数据表中规定的限值（对于硅基器件，通常在 +125 °C 和 +175 °C 之间）。每个组件产生的热量通过封装和连接引脚传递到外部。近年来，电子元件制造商制造了越来越多的热兼容封装。即使随着这些封装的进步，随着集成电路尺寸的不断缩小，散热也变得越来越复杂。

用于改进 PCB 热管理的两种主要技术包括创建大型接地层和插入热通孔。第一种技术允许您增加 PCB 上可用于散热的区域。很多时候，这些平面连接到板的上层或下层，以最大限度地与周围环境进行热交换；但是，内层也可用于提取 PCB 上器件消耗的部分功率。相反，热通孔用于将热量从同一板上的一层传递到另一层。它们的功能是将热量从电路板上的最热点引导到其他层。

电子电路中使用的许多组件，例如稳压器、放大器和转换器，对周围环境的波动极为敏感。如果他们检测到显着的热变化，他们可以改变他们产生的信号，产生错误，并降低设备的可靠性。因此，对这些敏感元件进行热绝缘很重要，这样它们就不会受到电路板上产生的热量的影响。

阻焊层

另一种允许走线承载大量电流的技术是从 PCB 上去除阻焊层。这暴露了下面的铜材料，然后可以补充额外的焊料以增加铜的厚度并降低 PCB 载流组件的整体电阻。虽然它可能被认为是一种解决方法而不是设计规则，但这种技术允许 PCB 走线承受更大的功率，而无需增加走线宽度。

去耦电容

当一个电源轨在多个电路板组件之间分配和共享时，有源组件可能会产生危险现象，例如接地反弹和振铃。这会导致靠近组件电源引脚的电压降。为了克服这个问题，去耦电容使用：电容器的一个端子必须尽可能靠近接收电源的组件的引脚，而另一端子必须直接连接到低阻抗接地层。目标是降低电源轨和地之间的阻抗。去耦电容器充当辅助电源，在每个瞬态（电压纹波或噪声）期间为组件提供所需的电流。选择去耦电容器时需要考虑几个方面。这些因素包括选择正确的电容器值、介电材料、几何形状以及电容器相对于电子元件的位置。去耦电容的典型值为 0.1μF 陶瓷电容。

材料

大功率 PCB 的设计需要使用具有特殊特性的材料，首先是导热性 (TC)。低成本 FR-4 等传统材料的 TC 约为 0.20 W/m/K。对于需要尽量减少热量增加的高功率应用，最好使用特定材料，例如 Rogers RT 层压板。该材料的 TC 值高达 1.44 W/m/K，可处理高功率水平且温升最小。

除了使用能够以低损耗处理功率和热量的材料外，PCB 还必须使用具有非常相似的热膨胀系数 (CTE) 的导电和热材料制造，以便材料因高功率或温度而发生任何膨胀或收缩以相同的速率发生，从而最大限度地减少材料上的机械应力。


审核编辑：刘清