大功率PCB设计 (三)：功率需求与热管理-电子发烧友网

“本系列将从电压需求与隔离、电流需求与分配、功率需求与热管理三个章节来介绍大功率 PCB 设计。”

大功率 PCB 设计不仅仅是管理电压和电流，更是管理它们的乘积：功率，而功率最终绝大多数会转化为热量。同时，高功率开关电路还会产生强烈的电磁场。本文将探讨功率设计中的场效应、热生成和材料选择。

1. 高功率场效应

高功率路径（特别是高di/dt，即电流变化率高的路径）会产生强大的电磁场。这些场会耦合到附近的敏感电路上，如控制电路、门极驱动（Gate Drive）信号和温度检测电路。在理想情况下，高功率路径应与其返回路径紧密耦合（例如在相邻层上反向布线），以使其产生的场相互抵消。

大功率 PCB 设计需要考虑的一些通用问题，包括：

大功率路径附近是否有敏感电路？
在您的设计中，大功率路径是否与其回流路径紧密耦合？
某些系统可能存在机械结构限制，导致无法（使路径）紧密耦合。
电池的端子（或：接线柱）通常相距很远，且两者之间几乎没有空间允许紧密耦合。在这种情况下，请确保您有策略来保护信号免受大功率能量的干扰。
在大功率路径下方走信号线或电源线，会使它们面临极大的风险，容易受到来自大功率路径瞬态能量的干扰。对于栅极驱动信号或温度测量电路而言，这种情况是不可避免的。在这种情况下，应保持信号（与其回流路径）紧密耦合，并在层叠设计中使其尽可能远离大功率（路径）。
信号完整性 (SI) 和电源完整性 (PI) 的设计准则同样适用于大功率设计
随着功率/能量等级的增加，（不良）设计所导致后果的严重程度也会随之增加。

设计中最大的敌人是热量。您必须准确识别热源：

您必须了解设计的热限制：

还需要注意的一些事项：

当 PCB 受热时，它会膨胀。这对可靠性有着致命的影响。

Z 轴膨胀 (Z-Axis Expansion)：PCB在X-Y平面（水平方向）由于有玻璃纤维布的束缚，膨胀系数(CTE)较低。但在Z轴（垂直方向），CTE要高得多。
过孔疲劳：当 Z 轴在热循环中反复膨胀和收缩时，会对镀通孔（PTH）的桶壁施加巨大的应力。这会导致桶壁裂纹 (Barrel Cracks)或拐角裂纹 (Corner Cracks)，最终导致过孔开路。

解决方案：选择正确的材料

玻璃化转变温度 (Tg)是 PCB 基材从坚硬的玻璃态转变为柔软的橡胶态的温度。

材料对比：

不良选择 (如标准FR-4)：
- Tg: 135°C
- Z轴CTE (Tg前): 70 ppm/°C
- 总膨胀 (50-260°C):4.2%

更优选择 (如高Tg材料)：
- Tg:200°C
- Z轴CTE (Tg前):38 ppm/°C
- 总膨胀 (50-260°C):2.2%

选择低Z轴膨胀和高Tg的材料，是确保高功率PCB在热循环下保持长期可靠性的关键。

在高功率设计中，我们希望使用厚铜（如多层2oz）来承载电流。然而，这给需要控制阻抗的信号（如差分对）带来了巨大挑战。

阻抗由走线宽度、介电常数(Dk)和介质厚度（走线到参考平面的距离）决定。

问题1：如果使用厚铜（2oz）和薄介质（例如5mil）
- 假设在内层为了实现差分对 75Ω 或 100Ω 阻抗，计算出的走线宽度会非常细。分别为 3.237 mil 及 0.656mil。单端的更是无法实现。
- 这种宽度在 2oz 铜上是无法制造的。

问题2：如果为了解决可制造性问题（线宽太小），可以加厚介质（例如 8 mil）或者增加差分对的间隙。
- 比如，对于 100Ω 阻抗的差分对而言，将间隙调整为 15mil，走线宽度则可调整为 4.413 mil。但 15mil 的差分对间隙对信号完整性而言并不是一个合理的值
- 增加介质厚度是一个方案。但是，这会显著增加PCB的总厚度（例如从0.089"增加到0.110"）。
连锁反应：板厚的增加会恶化钻孔的纵横比（Aspect Ratio）。
- 8mil 成孔（最终孔径），纵横比 0.110” / 0.008” =13.75
- 10mil 成孔（最终孔径），纵横比 0.110” / 0.010” =11
- 12mil 成孔（最终孔径），纵横比 0.110” / 0.012” =9.17
- 高纵横比的孔非常难以电镀均匀，增加了过孔失效的风险。