高功率PCB設(shè)計

盡管PCB 設(shè)計過程引人入勝且具有挑戰(zhàn)性，但采取一切必要的預(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)備尺寸的不斷縮小，必須適當考慮電源和熱管理等設(shè)計方面。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，它的電阻和要散發(fā)的熱量就越大。由于目標是將功率損耗降至最低，為了確保電路的高可靠性和耐用性，建議使傳導(dǎo)大電流的走線盡可能短。為了正確計算軌道的寬度，知道可以通過的最大電流，設(shè)計人員可以依賴 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 的典型值為內(nèi)層約為 17.5 μm （1/2 oz/ft 2 ），外層和接地層約為35 μm （1 oz/ft 2 ） 。 高功率 PCB 通常使用較厚的銅來減少相同電流下的走線寬度。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)生額外成本，但有助于節(jié)省卡上的空間，因為具有更高的粘度，所需的軌道寬度要小得多。

PCB布局

應(yīng)從 PCB 開發(fā)的早期階段就考慮電路板布局。適用于任何高功率 PCB 的一條重要規(guī)則是確定功率遵循的路徑。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；

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；

填充電路板的組件密度。

盡管使用現(xiàn)代機械，這種需求不那么緊迫，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 上拐角的布線

元件放置

首先確定大功率元件在 PCB 上的位置至關(guān)重要，例如負責產(chǎn)生大量熱量的電壓轉(zhuǎn)換器或功率晶體管。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，例如微控制器、處理器和 FPGA，應(yīng)放置在 PCB 的中心，以便在整個電路板上實現(xiàn)均勻的熱擴散，從而降低溫度。在任何情況下，功率元件都不能集中在同一區(qū)域，以免形成熱點；相反，線性類型的布置是優(yōu)選的。圖2 顯示了電子電路的熱分析，其中熱量最高的區(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。一般而言，以下規(guī)則適用：

識別并減少電流回路，特別是高電流路徑。

最大限度地減少元件之間的電阻壓降和其他寄生現(xiàn)象。

將高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)臒峁芾?對于將每個組件保持在安全溫度范圍內(nèi)是必要的。結(jié)溫絕不能超過制造商數(shù)據(jù)表中指示的限制（對于硅基器件，通常在 +125 °C 和 +175 °C 之間）。每個元件產(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。即使有了這些封裝的進步，隨著集成電路尺寸的不斷縮小，散熱也變得越來越復(fù)雜。

用于改進 PCB 熱管理的兩種主要技術(shù)包括創(chuàng)建大地平面和插入熱通孔。第一種技術(shù)允許您增加 PCB 上用于散熱的可用面積。很多時候，這些平面連接到板的上層或下層，以最大限度地與周圍環(huán)境進行熱交換；然而，內(nèi)層也可用于提取 PCB 上器件消耗的部分功率。相反，熱通孔用于將熱量從同一板上的一層傳輸?shù)搅硪粚?。它們的功能是將熱量從板上最熱點引導(dǎo)到其他層。

電子電路中使用的許多組件，例如穩(wěn)壓器、放大器和轉(zhuǎn)換器，對周圍環(huán)境的波動極為敏感。如果他們檢測到顯著的熱變化，他們可以改變他們產(chǎn)生的信號，產(chǎn)生錯誤，并降低設(shè)備的可靠性。因此，對這些敏感元件進行熱絕緣很重要，這樣它們就不會受到電路板上產(chǎn)生的熱量的影響。

阻焊層

另一種允許走線承載大量電流的技術(shù)是從 PCB上去除阻焊層。這會暴露下面的銅材料，然后可以補充額外的焊料以增加銅的厚度并降低 PCB 載流組件的整體電阻。雖然它可能更像是一種變通方法而不是設(shè)計規(guī)則，但這種技術(shù)允許 PCB 走線承受更多功率，而無需增加走線寬度。

去耦電容

當電源軌在多個板組件之間分布和共享時，有源組件可能會產(chǎn)生危險現(xiàn)象，例如地彈和振鈴。這會導(dǎo)致靠近組件電源引腳的電壓下降。為了克服這個問題，去耦電容器使用：電容器的一端必須盡可能靠近接收電源的組件的引腳，而另一端必須直接連接到低阻抗接地層。目標是降低電源軌和地之間的阻抗。去耦電容器充當輔助電源，在每次瞬態(tài)（電壓紋波或噪聲）期間為組件提供所需的電流。選擇去耦電容器時需要考慮幾個方面。這些因素包括選擇正確的電容器值、介電材料、幾何形狀以及電容器相對于電子元件的位置。去耦電容的典型值為 0.1μF 陶瓷電容。

材料

高功率 PCB 的設(shè)計需要使用具有特殊特性的材料，首先是導(dǎo)熱性 （TC）。傳統(tǒng)材料，例如低成本的 FR-4，TC 約為 0.20 W/m/K。對于需要最大限度減少熱量增加的高功率應(yīng)用，最好使用特定材料，例如 Rogers RT 層壓板。該材料的 TC 值高達 1.44 W/m/K，可處理高功率水平，同時溫升最小。

除了使用能夠以低損耗處理功率和熱量的材料外，PCB 還必須使用熱膨脹系數(shù) （CTE） 非常相似的導(dǎo)電和導(dǎo)熱材料制造，以便材料因高功率或溫度而發(fā)生任何膨脹或收縮以相同的速率發(fā)生，從而最大限度地減少材料上的機械應(yīng)力。

審核編輯：郭婷