大功率应用的PCB设计的要求及要点

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随着技术的发展,电子设备愈发复杂,PCB作为其中的关键部件,设计也越来越复杂、精确和缜密,才能确保终端产品的正常运转。我们此文所提及的大功率电路,需要被作为一个系统,而不仅仅是一个单一组件,来进行考量。在进行设计时,必须考虑其相关的所有组件,包括电路板、电子设备、散热管理和电源等。

电动汽车充电设备 - 大功率PCB设计的一个应用实例

需要进行大功率电路设计的一些应用和终端产品包括:

工业电源

伺服电机

电动汽车充电桩

以下是大功率电路设计的一些示例:

用于EV电池的充电系统

300瓦功率的电视

航天器热管理系统

超过3000流明的投影

需要5KW功率的热电冷却器

大功率电路设计的考虑因素

大功率电路比小功率电路承载高一个数量级的电压或电流。在进行电路设计时,设计人员需要确保电路能够在要求的电压和电流下运行,并具备足够的冷却和安全系统设置。以下是进行大功率电路设计时需要考虑的几个方面:

散热管理

大功率电子设备产生的热量几倍于小功率设备,因此在进行设计时,散热管理非常重要。正确进行热量管理,电路板才不会因热量积聚而出现过热和失效。散热管理可以使用被动和主动冷却结合的方法来实现。被动冷却包括使用低导热性材料,例如绝缘塑料或陶瓷,主动冷却指使用电扇或冷却液系统来进行散热。

材料

PCB中常用的材料是FR4,在大功率应用中,由于热应力增加,材料性能的重要性被凸显。与大功率应用相关性最高的材料属性是高Tg和高Td,以及稳定的热膨胀系数CTE。在某些情况下也要求具有高相比漏电起痕指数(CTI-Comparative tracking index,指基材表面经受住50滴0.1%氯化铵水溶液而没有形成漏电痕迹的最高电压值)。

阻焊层

阻焊层是PCB表面的保护层,保护铜免受腐蚀和污染。阻焊工艺可分为两类:湿膜和干膜。湿膜通过紫外线固化,将感光油墨附着到板面,而干膜则是通过紫外线照射后聚合反应,形成一种稳定物质附着于板面。大功率电路设计需要特别考虑阻焊工艺,因为其更容易受到腐蚀和污染。

设计

大多数大功率PCB设计通常使用某种类型的设计,分为两类:布局设计或参考设计。布局是指规划元器件在PCB上的位置,而参考设计通常是考虑具体布局的情况下进行的。PCB的布局需要满足,既能承载大功率元件,又能减少噪声产生。所以在进行大功率PCB设计时需要遵循如下规则:

尽量减小接地回路

元器件选型考虑最大额定电压

降低电路噪音,尽量减少走线上的电感,过孔上的电容

考虑散热

考虑减少静电放电(ESD)的损害,增加静电防护电路

非关键信号必须包地保护

元件布局

大功率电路考虑降低PCB热阻的设计思路, PCB上有大功率元件时,可以通过以下两种方式实现:

第一种方式,是将各部件贴近放置,降低热阻,小面积的铜面散热即可

第二种方式,是将各部件分散放置,铺大面积的铜面散热(铜皮上增加开窗,上锡)

导体的宽度和厚度

铜皮厚度是由它们所需承载的功率决定的。功率越大,铜皮就越厚。铜皮的宽度由功能决定,内层走线比外层窄,因为它们不受外部干扰,接地铜皮宽度最宽,因为它需要实现接地的功能,同时兼散热。

我们有什么设计建议?

功率越大,产生的热量就越多,电路板需要处理的积聚的热量也就越多,这也就意味着你需要使用更大的铜面积、更多的通孔,和更厚的绝缘层,以防电路板过热。埋铜技术会被应用到电路板的散热需求中。你可以在这里了解关于这项技术的信息。

如何在设计参数内确保安全性和可靠性?

以下是设计大功率PCB时应该考虑的一些注意事项:

设计工程师应该了解大功率对PCB设计的要求,同时了解PCB供应商的工艺能力

设计时应考虑功率器件的热量对布局的整体散热方案的影响

设计时应考虑电磁干扰(EMI)对附近其他设备的影响

设计应考虑到过载产生的潜在危险,比如火灾、烟雾或爆炸

  审核编辑:汤梓红

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