大功率应用的PCB设计的要求及要点

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