高功率PCB设计

尽管PCB 设计过程令人着迷且具有挑战性，但采取一切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，必须充分考虑电源和热管理等设计方面。本文将介绍一些设计人员可以遵循的指南来设计适合支持高功率应用的 PCB。

走线宽度和厚度

原则上，轨道越长，其阻力和散发的热量就越大。由于目标是最大限度地减少功率损耗，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。要正确计算走线宽度并了解可通过走线的最大电流，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内层的典型值为 17.5 µm (1/2 oz/ft 2 )，外层和接地层的典型值为35 µm (1 oz/ft 2 ) 。高功率 PCB 通常使用较厚的铜，以减少相同电流下的走线宽度。这减少了 PCB 上走线所占用的空间。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成本，但有助于节省卡上的空间，因为具有较高的粘度，所需的轨道宽度要小得多。

PCB布局

应从 PCB 开发的早期阶段就考虑电路板布局。适用于任何高功率 PCB 的一条重要规则是确定功率遵循的路径。流经电路的功率的位置和数量是评估 PCB 需要耗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;

· 单板运行的环境温度;

· 影响电路板的气流量;

· 用于制造PCB的材料;

· 板上元件的密度。

尽管对于现代机械来说这种需求不那么迫切，但在方向改变时，建议避免直角，而是使用45°角或曲线。

元件放置

首先确定 PCB 上高功率组件的位置至关重要，例如电压转换器或功率晶体管，它们会产生大量热量。高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，应放置在 PCB 的中心，以便热量在整个板上均匀扩散，从而降低温度。无论如何，功率元件绝对不能集中在同一区域，以免形成热点;相反，线性型布置是优选的。

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环路。一般来说，适用以下规则：

· 识别并减少电流回路，特别是高电流路径。

· 最大限度地减少元件之间的电阻电压降和其他寄生现象。

· 将大功率电路放置在远离敏感电路的地方。

· 采取良好的接地措施。

在某些情况下，只要设备的外形尺寸允许，最好将组件放置在几个不同的板上。

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。结温绝不能超过制造商数据表中指示的限值(对于硅基器件，通常在 +125 °C 到 +175 °C 之间)。每个元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热兼容的封装。即使有了这些封装的进步，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散热过孔。第一种技术允许您增加 PCB 上可用于散热的面积。很多时候，这些平面与板的上层或下层相连，以最大限度地与周围环境进行热交换;然而，内层也可用于提取 PCB 上器件消耗的部分功率。相反，散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板上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其敏感。如果它们检测到显着的热变化，它们可能会改变它们产生的信号，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非常重要，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去除 PCB 上的阻焊层。这会暴露底层的铜材料，然后可以用额外的焊料进行补充，以增加铜的厚度并降低 PCB 载流组件的整体电阻。虽然它可能更多地被认为是一种解决方法而不是设计规则，但该技术允许 PCB 走线承受更多功率，而无需增加走线宽度。

去耦电容

当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，例如接地弹跳和振铃。这可能会导致靠近组件电源引脚的电压下降。为了解决这个问题，去耦电容器使用：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接地之间的阻抗。去耦电容器充当辅助电源，为组件在每个瞬态(电压纹波或噪声)期间提供所需的电流。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。去耦电容器的典型值为 0.1μF 陶瓷电容器。

材料

高功率 PCB 的设计需要使用具有特定特性的材料，首先是导热性 (TC)。传统材料(例如低成本 FR-4)的 TC 约为 0.20 W/m/K。对于需要最大限度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，能够以最小的温升处理高功率水平。

除了使用能够以低损耗处理功率和热量的材料之外，PCB 还必须使用热膨胀系数 (CTE) 非常相似的导电和导热材料来制造，以便材料因高功率或温度而产生的任何膨胀或收缩以相同的速率发生，最大限度地减少材料上的机械应力。