大功率PCB的設(shè)計(jì)

與 PCB 設(shè)計(jì)過程一樣令人著迷和具有挑戰(zhàn)性的是，采取所有必要的預(yù)防措施以確保電路正常運(yùn)行非常重要，尤其是在處理高功率 PCB 時(shí)。隨著電子設(shè)備的尺寸不斷縮小，電源和熱管理等設(shè)計(jì)方面必須得到應(yīng)有的考慮。本文將介紹設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)適合支持高功率應(yīng)用的 PCB 時(shí)可以遵循的一些指南。

走線寬度和厚度

原則上，軌道越長(zhǎng)，其阻力越大，散熱量越大。由于目標(biāo)是最小化功率損耗，為了確保電路的高可靠性和耐用性，建議使傳導(dǎo)高電流的走線盡可能短。要正確計(jì)算軌道的寬度，知道可以通過它的最大電流，設(shè)計(jì)人員可以依靠 IPC-2221 標(biāo)準(zhǔn)中包含的公式，或使用在線計(jì)算器。

至于走線厚度，標(biāo)準(zhǔn) PCB的內(nèi)層典型值約為 17.5 μm (1/2 oz/ft ² )，外層和接地層約為 35 μm (1 oz/ft ² ) . 大功率 PCB 通常使用較厚的銅來減少相同電流的走線寬度。這減少了 PCB 上走線占用的空間。較厚的銅厚度范圍為 35 至 105 μm（1 至 3 oz/ft ²），通常用于大于 10 A 的電流。較厚的銅不可避免地會(huì)產(chǎn)生額外的成本，但有助于節(jié)省卡上的空間，因?yàn)檎扯雀撸璧能壍缹挾纫〉枚唷?/font>

PCB布局

電路板布局應(yīng)從 PCB 開發(fā)的早期階段開始考慮。適用于任何大功率 PCB 的一個(gè)重要規(guī)則是確定電源所遵循的路徑。流經(jīng)電路的功率的位置和數(shù)量是評(píng)估 PCB 需要消散的熱量的重要因素。影響印刷電路板布局的主要因素包括：

流經(jīng)電路的功率電平；
電路板工作的環(huán)境溫度；
影響電路板的氣流量；
用于制造PCB的材料；
填充電路板的組件的密度。

盡管對(duì)于現(xiàn)代機(jī)械，這種需求不那么迫切，但在改變方向時(shí)，建議避免直角，而是使用 45° 角或曲線，如圖 1 所示。

圖 1：PCB 上一個(gè)角的布線

元件放置

首先確定大功率元件在 PCB 上的位置至關(guān)重要，例如電壓轉(zhuǎn)換器或功率晶體管，它們負(fù)責(zé)產(chǎn)生大量熱量。大功率組件不應(yīng)安裝在電路板邊緣附近，因?yàn)檫@會(huì)導(dǎo)致熱量積聚和溫度顯著升高。高度集成的數(shù)字組件，如微控制器、處理器和 FPGA，應(yīng)位于 PCB 的中心，以實(shí)現(xiàn)整個(gè)電路板的均勻熱擴(kuò)散，從而降低溫度。在任何情況下，功率元件決不能集中在同一區(qū)域，以免形成熱點(diǎn)；相反，線性排列是優(yōu)選的。圖 2顯示了電子電路的熱分析，熱集中度最高的區(qū)域以紅色突出顯示。

圖 2：電子電路的熱分析

布局應(yīng)從功率器件開始，其走線應(yīng)盡可能短且足夠?qū)?，以消除噪聲產(chǎn)生和不必要的接地回路。一般來說，以下規(guī)則適用：

識(shí)別和減少電流回路，特別是高電流路徑。
最大限度地減少組件之間的電阻電壓降和其他寄生現(xiàn)象。
將大功率電路遠(yuǎn)離敏感電路。
采取良好的接地措施。

在某些情況下，最好將組件放置在幾個(gè)不同的板上，只要設(shè)備的外形允許這樣做。

熱管理

適當(dāng)?shù)?/font>熱管理對(duì)于將每個(gè)組件保持在安全溫度范圍內(nèi)是必要的。結(jié)溫不應(yīng)超過制造商數(shù)據(jù)表中規(guī)定的限值（對(duì)于硅基器件，通常在 +125 °C 和 +175 °C 之間）。每個(gè)組件產(chǎn)生的熱量通過封裝和連接引腳傳遞到外部。近年來，電子元件制造商制造了越來越多的熱兼容封裝。即使隨著這些封裝的進(jìn)步，隨著集成電路尺寸的不斷縮小，散熱也變得越來越復(fù)雜。

用于改進(jìn) PCB 熱管理的兩種主要技術(shù)包括創(chuàng)建大型接地層和插入熱通孔。第一種技術(shù)允許您增加 PCB 上可用于散熱的區(qū)域。很多時(shí)候，這些平面連接到板的上層或下層，以最大限度地與周圍環(huán)境進(jìn)行熱交換；但是，內(nèi)層也可用于提取 PCB 上器件消耗的部分功率。相反，熱通孔用于將熱量從同一板上的一層傳遞到另一層。它們的功能是將熱量從電路板上的最熱點(diǎn)引導(dǎo)到其他層。

電子電路中使用的許多組件，例如穩(wěn)壓器、放大器和轉(zhuǎn)換器，對(duì)周圍環(huán)境的波動(dòng)極為敏感。如果他們檢測(cè)到顯著的熱變化，他們可以改變他們產(chǎn)生的信號(hào)，產(chǎn)生錯(cuò)誤，并降低設(shè)備的可靠性。因此，對(duì)這些敏感元件進(jìn)行熱絕緣很重要，這樣它們就不會(huì)受到電路板上產(chǎn)生的熱量的影響。

阻焊層

另一種允許走線承載大量電流的技術(shù)是從 PCB 上去除阻焊層。這暴露了下面的銅材料，然后可以補(bǔ)充額外的焊料以增加銅的厚度并降低 PCB 載流組件的整體電阻。雖然它可能被認(rèn)為是一種解決方法而不是設(shè)計(jì)規(guī)則，但這種技術(shù)允許 PCB 走線承受更大的功率，而無需增加走線寬度。

去耦電容

當(dāng)一個(gè)電源軌在多個(gè)電路板組件之間分配和共享時(shí)，有源組件可能會(huì)產(chǎn)生危險(xiǎn)現(xiàn)象，例如接地反彈和振鈴。這會(huì)導(dǎo)致靠近組件電源引腳的電壓降。為了克服這個(gè)問題，去耦電容使用：電容器的一個(gè)端子必須盡可能靠近接收電源的組件的引腳，而另一端子必須直接連接到低阻抗接地層。目標(biāo)是降低電源軌和地之間的阻抗。去耦電容器充當(dāng)輔助電源，在每個(gè)瞬態(tài)（電壓紋波或噪聲）期間為組件提供所需的電流。選擇去耦電容器時(shí)需要考慮幾個(gè)方面。這些因素包括選擇正確的電容器值、介電材料、幾何形狀以及電容器相對(duì)于電子元件的位置。去耦電容的典型值為 0.1μF 陶瓷電容。

材料

大功率 PCB 的設(shè)計(jì)需要使用具有特殊特性的材料，首先是導(dǎo)熱性 (TC)。低成本 FR-4 等傳統(tǒng)材料的 TC 約為 0.20 W/m/K。對(duì)于需要盡量減少熱量增加的高功率應(yīng)用，最好使用特定材料，例如 Rogers RT 層壓板。該材料的 TC 值高達(dá) 1.44 W/m/K，可處理高功率水平且溫升最小。

除了使用能夠以低損耗處理功率和熱量的材料外，PCB 還必須使用具有非常相似的熱膨脹系數(shù) (CTE) 的導(dǎo)電和熱材料制造，以便材料因高功率或溫度而發(fā)生任何膨脹或收縮以相同的速率發(fā)生，從而最大限度地減少材料上的機(jī)械應(yīng)力。

審核編輯：劉清

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