盡管PCB設計過程令人著迷且充滿挑戰(zhàn)，但采取所有必要的預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。隨著電子設備尺寸的不斷減小，必須適當考慮電源和熱管理等設計方面的問題。本文將介紹設計人員可以遵循的一些準則，以設計適合于支持大功率應用的PCB。

跡線寬度和厚度

原則上，軌道越長，其阻力和要散發(fā)的熱量越大。由于目標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，因此建議使傳導大電流的走線盡可能短。為了正確地計算出一條軌道的寬度，并知道它可以通過的最大電流，設計人員可以依靠IPC-2221標準中包含的公式，或者使用在線計算器。

至于走線厚度，標準PCB的內層典型值為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開發(fā)的早期階段就應該考慮板布局。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，而應使用45°角或曲線，如圖1所示。

圖1：PCB上一個角的布線

元件放置

首先必須確定負責產(chǎn)生大量熱量的大功率組件（例如電壓轉換器或功率晶體管）在PCB上的位置，這一點至關重要。高功率組件不應安裝在電路板邊緣附近，因為這會導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）應放置在PCB的中央，以使熱量在板上均勻擴散，從而降低溫度。在任何情況下，都不應將功率組件集中在同一區(qū)域內，以免形成熱點。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

放置應從功率設備開始，功率設備的走線應保持盡可能短且足夠寬，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不同的板上，只要設備的尺寸允許。

熱管理

必須進行適當?shù)臒峁芾?，以將每個組件保持在安全的溫度范圍內。結溫不得超過制造商數(shù)據(jù)表中指示的極限（對于硅基器件，通常在+125°C至+175°C之間）。每個組件產(chǎn)生的熱量通過封裝和連接銷傳遞到外部。近年來，電子元件制造商已經(jīng)建立了越來越多的熱兼容封裝。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，散熱也變得越來越復雜。

改善PCB熱管理的兩項主要技術包括創(chuàng)建較大的接地層和插入熱導通孔。第一種技術使您可以增加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)境進行熱交換。但是，內層也可用于提取PCB上設備消耗的部分功率。取而代之的是，使用熱過孔將熱量從同一板上的一層轉移到另一層。它們的功能是將熱量從板上最熱的點引導到其他層。

電子電路中使用的許多組件，例如調節(jié)器，放大器和轉換器，對周圍環(huán)境的波動極為敏感。如果它們檢測到明顯的熱變化，則可以改變它們產(chǎn)生的信號，產(chǎn)生錯誤并降低設備的可靠性。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是從PCB上去除阻焊層。這會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計規(guī)則更多的解決方法，但該技術允許PCB走線承受更大的功率，而無需增加走線寬度。

去耦電容

在多個電路板組件之間分配和共享電源線時，有源組件可能會產(chǎn)生危險的現(xiàn)象，例如接地彈跳和振鈴。這可能會導致組件電源引腳附近的電壓下降。為了克服這個問題，去耦電容器使用：電容器的一個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。目的是降低電源導軌與地面之間的阻抗。去耦電容器用作次級電源，在每個瞬態(tài)期間（電壓紋波或噪聲）為組件提供所需的電流。選擇去耦電容器時要考慮幾個方面。這些因素包括選擇正確的電容器值，電介質材料，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。

材料

大功率PCB的設計要求使用具有特殊特性的材料，首先是導熱系數(shù)（TC）。傳統(tǒng)材料（例如低成本FR-4）的TC約為0.20 W / m / K。對于需要將熱量增加降至最低的大功率應用，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）的導電和導熱材料來制造PCB，這樣，由于高功率或高溫導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械應力。

編輯：hfy