如何设计适合于支持大功率应用的PCB

尽管PCB设计过程令人着迷且充满挑战，但采取所有必要的预防措施以确保正确的电路操作非常重要，尤其是在处理大功率PCB时。随着电子设备尺寸的不断减小，必须适当考虑电源和热管理等设计方面的问题。本文将介绍设计人员可以遵循的一些准则，以设计适合于支持大功率应用的PCB。

迹线宽度和厚度

原则上，轨道越长，其阻力和要散发的热量越大。由于目标是最大程度地降低功率损耗，以确保电路的高可靠性和耐用性，因此建议使传导大电流的走线尽可能短。为了正确地计算出一条轨道的宽度，并知道它可以通过的最大电流，设计人员可以依靠IPC-2221标准中包含的公式，或者使用在线计算器。

至于走线厚度，标准PCB的内层典型值为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）。 。大功率PCB通常使用较粗的铜来减小相同电流下的走线宽度。这样可以减少PCB上走线所占的空间。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要付出额外的成本，但由于粘度较高，因此可以节省卡上的空间。 ，所需的磁道宽度要小得多。

PCB布局

从PCB开发的早期阶段就应该考虑板布局。适用于任何大功率PCB的重要规则是确定功率所遵循的路径。流经电路的功率的位置和数量是评估PCB需要散发的热量的重要因素。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；
• 评估板工作的环境温度；
• 影响木板的气流量；
• 用于制造PCB的材料；
• 组成电路板的组件的密度。

即使使用现代机械，这种需求也不太紧迫，但在方向变化中，建议避免直角，而应使用45°角或曲线，如图1所示。

图1：PCB上一个角的布线

元件放置

首先必须确定负责产生大量热量的大功率组件（例如电压转换器或功率晶体管）在PCB上的位置，这一点至关重要。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（例如微控制器，处理器和FPGA）应放置在PCB的中央，以使热量在板上均匀扩散，从而降低温度。在任何情况下，都不应将功率组件集中在同一区域内，以免形成热点。相反，线性型布置是优选的。图2 显示了电子电路的热分析，其中最高热量集中的区域以红色突出显示。

图2：电子电路的热分析

放置应从功率设备开始，功率设备的走线应保持尽可能短且足够宽，以消除产生噪声和不必要的接地环路。通常，以下规则适用：

• 识别并减少电流回路，尤其是大电流路径。
• 最小化组件之间的电阻性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，也可以将组件放置在几个不同的板上，只要设备的尺寸允许。

热管理

必须进行适当的热管理 ，以将每个组件保持在安全的温度范围内。结温不得超过制造商数据表中指示的极限（对于硅基器件，通常在+125°C至+175°C之间）。每个组件产生的热量通过封装和连接销传递到外部。近年来，电子元件制造商已经建立了越来越多的热兼容封装。即使随着这些封装的发展，随着集成电路尺寸的不断缩小，散热也变得越来越复杂。

改善PCB热管理的两项主要技术包括创建较大的接地层和插入热导通孔。第一种技术使您可以增加PCB上的散热面积。通常，这些平面连接到电路板的上层或下层，以最大程度地与周围环境进行热交换。但是，内层也可用于提取PCB上设备消耗的部分功率。取而代之的是，使用热过孔将热量从同一板上的一层转移到另一层。它们的功能是将热量从板上最热的点引导到其他层。

电子电路中使用的许多组件，例如调节器，放大器和转换器，对周围环境的波动极为敏感。如果它们检测到明显的热变化，则可以改变它们产生的信号，产生错误并降低设备的可靠性。因此，重要的是要使这些敏感组件热绝缘，以使它们不受电路板上产生的热量的影响。

阻焊膜

另一种用于允许走线承载更大电流的技术是从PCB上去除阻焊层。这会暴露出下面的铜材料，然后可以添加额外的焊料以增加铜的厚度并降低PCB载流元件的整体电阻。尽管可以将其视为比设计规则更多的解决方法，但该技术允许PCB走线承受更大的功率，而无需增加走线宽度。

去耦电容

在多个电路板组件之间分配和共享电源线时，有源组件可能会产生危险的现象，例如接地弹跳和振铃。这可能会导致组件电源引脚附近的电压下降。为了克服这个问题，去耦电容器使用：电容器的一个端子必须放置在尽可能靠近接收电源的组件的引脚的位置，而另一端子必须直接连接到低阻抗接地层。目的是降低电源导轨与地面之间的阻抗。去耦电容器用作次级电源，在每个瞬态期间（电压纹波或噪声）为组件提供所需的电流。选择去耦电容器时要考虑几个方面。这些因素包括选择正确的电容器值，电介质材料，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。

材料

大功率PCB的设计要求使用具有特殊特性的材料，首先是导热系数（TC）。传统材料（例如低成本FR-4）的TC约为0.20 W / m / K。对于需要将热量增加降至最低的大功率应用，最好使用特定的材料，例如Rogers RT层压板。该材料的TC值高达1.44 W / m / K，可在高功率水平下将温度升高降至最低。

除了使用能够以低损耗处理功率和热量的材料之外，PCB还必须使用具有非常相似的热膨胀系数（CTE）的导电和导热材料来制造PCB，这样，由于高功率或高温导致材料的任何膨胀或收缩发生的速率相同，从而最大程度地降低了材料上的机械应力。

编辑：hfy