大功率PCB的設(shè)計

與 PCB 設(shè)計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行非常重要，尤其是在處理高功率 PCB 時。隨著電子設(shè)備的尺寸不斷縮小，電源和熱管理等設(shè)計方面必須得到應(yīng)有的考慮。本文將介紹設(shè)計人員在設(shè)計適合支持高功率應(yīng)用的 PCB 時可以遵循的一些指南。

走線寬度和厚度

原則上，軌道越長，其阻力越大，散熱量越大。由于目標是最小化功率損耗，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。要正確計算軌道的寬度，知道可以通過它的最大電流，設(shè)計人員可以依靠 IPC-2221 標準中包含的公式，或使用在線計算器。

至于走線厚度，標準 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產(chǎn)生額外的成本，但有助于節(jié)省卡上的空間，因為粘度更高，所需的軌道寬度要小得多。

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。

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

圖 1：PCB 上一個角的布線

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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，它們負責產(chǎn)生大量熱量。大功率組件不應(yīng)安裝在電路板邊緣附近，因為這會導(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，以實現(xiàn)整個電路板的均勻熱擴散，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；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

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不同的板上，只要設(shè)備的外形允許這樣做。

熱管理

適當?shù)?/font>熱管理對于將每個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（對于硅基器件，通常在 +125 °C 和 +175 °C 之間）。每個組件產(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。