如何設(shè)計(jì)適合于支持大功率應(yīng)用的PCB

盡管PCB設(shè)計(jì)過(guò)程令人著迷且充滿挑戰(zhàn)，但采取所有必要的預(yù)防措施以確保正確的電路操作非常重要，尤其是在處理大功率PCB時(shí)。隨著電子設(shè)備尺寸的不斷減小，必須適當(dāng)考慮電源和熱管理等設(shè)計(jì)方面的問(wèn)題。本文將介紹設(shè)計(jì)人員可以遵循的一些準(zhǔn)則，以設(shè)計(jì)適合于支持大功率應(yīng)用的PCB。

跡線寬度和厚度

原則上，軌道越長(zhǎng)，其阻力和要散發(fā)的熱量越大。由于目標(biāo)是最大程度地降低功率損耗，以確保電路的高可靠性和耐用性，因此建議使傳導(dǎo)大電流的走線盡可能短。為了正確地計(jì)算出一條軌道的寬度，并知道它可以通過(guò)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，或者使用在線計(jì)算器。

至于走線厚度，標(biāo)準(zhǔn)PCB的內(nèi)層典型值為17.5 μm（1/2 oz / ft?2），外層和接地層的典型值為35 μm（1 oz / ft?2）。 。大功率PCB通常使用較粗的銅來(lái)減小相同電流下的走線寬度。這樣可以減少PCB上走線所占的空間。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要付出額外的成本，但由于粘度較高，因此可以節(jié)省卡上的空間。 ，所需的磁道寬度要小得多。

PCB布局

從PCB開(kāi)發(fā)的早期階段就應(yīng)該考慮板布局。適用于任何大功率PCB的重要規(guī)則是確定功率所遵循的路徑。流經(jīng)電路的功率的位置和數(shù)量是評(píng)估PCB需要散發(fā)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；
• 評(píng)估板工作的環(huán)境溫度；
• 影響木板的氣流量；
• 用于制造PCB的材料；
• 組成電路板的組件的密度。

即使使用現(xiàn)代機(jī)械，這種需求也不太緊迫，但在方向變化中，建議避免直角，而應(yīng)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

首先必須確定負(fù)責(zé)產(chǎn)生大量熱量的大功率組件（例如電壓轉(zhuǎn)換器或功率晶體管）在PCB上的位置，這一點(diǎn)至關(guān)重要。高功率組件不應(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（例如微控制器，處理器和FPGA）應(yīng)放置在PCB的中央，以使熱量在板上均勻擴(kuò)散，從而降低溫度。在任何情況下，都不應(yīng)將功率組件集中在同一區(qū)域內(nèi)，以免形成熱點(diǎn)。相反，線性型布置是優(yōu)選的。圖2?顯示了電子電路的熱分析，其中最高熱量集中的區(qū)域以紅色突出顯示。

圖2：電子電路的熱分析

放置應(yīng)從功率設(shè)備開(kāi)始，功率設(shè)備的走線應(yīng)保持盡可能短且足夠?qū)?，以消除產(chǎn)生噪聲和不必要的接地環(huán)路。通常，以下規(guī)則適用：

• 識(shí)別并減少電流回路，尤其是大電流路徑。
• 最小化組件之間的電阻性壓降和其他寄生現(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，也可以將組件放置在幾個(gè)不同的板上，只要設(shè)備的尺寸允許。

熱管理

必須進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒峁芾?，以將每個(gè)組件保持在安全的溫度范圍內(nèi)。結(jié)溫不得超過(guò)制造商數(shù)據(jù)表中指示的極限（對(duì)于硅基器件，通常在+125°C至+175°C之間）。每個(gè)組件產(chǎn)生的熱量通過(guò)封裝和連接銷傳遞到外部。近年來(lái)，電子元件制造商已經(jīng)建立了越來(lái)越多的熱兼容封裝。即使隨著這些封裝的發(fā)展，隨著集成電路尺寸的不斷縮小，散熱也變得越來(lái)越復(fù)雜。

改善PCB熱管理的兩項(xiàng)主要技術(shù)包括創(chuàng)建較大的接地層和插入熱導(dǎo)通孔。第一種技術(shù)使您可以增加PCB上的散熱面積。通常，這些平面連接到電路板的上層或下層，以最大程度地與周圍環(huán)境進(jìn)行熱交換。但是，內(nèi)層也可用于提取PCB上設(shè)備消耗的部分功率。取而代之的是，使用熱過(guò)孔將熱量從同一板上的一層轉(zhuǎn)移到另一層。它們的功能是將熱量從板上最熱的點(diǎn)引導(dǎo)到其他層。

電子電路中使用的許多組件，例如調(diào)節(jié)器，放大器和轉(zhuǎn)換器，對(duì)周圍環(huán)境的波動(dòng)極為敏感。如果它們檢測(cè)到明顯的熱變化，則可以改變它們產(chǎn)生的信號(hào)，產(chǎn)生錯(cuò)誤并降低設(shè)備的可靠性。因此，重要的是要使這些敏感組件熱絕緣，以使它們不受電路板上產(chǎn)生的熱量的影響。

阻焊膜

另一種用于允許走線承載更大電流的技術(shù)是從PCB上去除阻焊層。這會(huì)暴露出下面的銅材料，然后可以添加額外的焊料以增加銅的厚度并降低PCB載流元件的整體電阻。盡管可以將其視為比設(shè)計(jì)規(guī)則更多的解決方法，但該技術(shù)允許PCB走線承受更大的功率，而無(wú)需增加走線寬度。

去耦電容

在多個(gè)電路板組件之間分配和共享電源線時(shí)，有源組件可能會(huì)產(chǎn)生危險(xiǎn)的現(xiàn)象，例如接地彈跳和振鈴。這可能會(huì)導(dǎo)致組件電源引腳附近的電壓下降。為了克服這個(gè)問(wèn)題，去耦電容器使用：電容器的一個(gè)端子必須放置在盡可能靠近接收電源的組件的引腳的位置，而另一端子必須直接連接到低阻抗接地層。目的是降低電源導(dǎo)軌與地面之間的阻抗。去耦電容器用作次級(jí)電源，在每個(gè)瞬態(tài)期間（電壓紋波或噪聲）為組件提供所需的電流。選擇去耦電容器時(shí)要考慮幾個(gè)方面。這些因素包括選擇正確的電容器值，電介質(zhì)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。

材料

大功率PCB的設(shè)計(jì)要求使用具有特殊特性的材料，首先是導(dǎo)熱系數(shù)（TC）。傳統(tǒng)材料（例如低成本FR-4）的TC約為0.20 W / m / K。對(duì)于需要將熱量增加降至最低的大功率應(yīng)用，最好使用特定的材料，例如Rogers RT層壓板。該材料的TC值高達(dá)1.44 W / m / K，可在高功率水平下將溫度升高降至最低。

除了使用能夠以低損耗處理功率和熱量的材料之外，PCB還必須使用具有非常相似的熱膨脹系數(shù)（CTE）的導(dǎo)電和導(dǎo)熱材料來(lái)制造PCB，這樣，由于高功率或高溫導(dǎo)致材料的任何膨脹或收縮發(fā)生的速率相同，從而最大程度地降低了材料上的機(jī)械應(yīng)力。

編輯：hfy