高功率PCB設(shè)計

盡管PCB 設(shè)計過程令人著迷且具有挑戰(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)備的尺寸不斷縮小，必須充分考慮電源和熱管理等設(shè)計方面。本文將介紹一些設(shè)計人員可以遵循的指南來設(shè)計適合支持高功率應(yīng)用的 PCB。

走線寬度和厚度

原則上，軌道越長，其阻力和散發(fā)的熱量就越大。由于目標是最大限度地減少功率損耗，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。要正確計算走線寬度并了解可通過走線的最大電流，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內(nèi)層的典型值為 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 ) 。高功率 PCB 通常使用較厚的銅，以減少相同電流下的走線寬度。這減少了 PCB 上走線所占用的空間。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，因為具有較高的粘度，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 需要耗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;

· 單板運行的環(huán)境溫度;

· 影響電路板的氣流量;

· 用于制造PCB的材料;

· 板上元件的密度。

盡管對于現(xiàn)代機械來說這種需求不那么迫切，但在方向改變時，建議避免直角，而是使用45°角或曲線。

元件放置

首先確定 PCB 上高功率組件的位置至關(guān)重要，例如電壓轉(zhuǎn)換器或功率晶體管，它們會產(chǎn)生大量熱量。高功率組件不應(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)放置在 PCB 的中心，以便熱量在整個板上均勻擴散，從而降低溫度。無論如何，功率元件絕對不能集中在同一區(qū)域，以免形成熱點;相反，線性型布置是優(yōu)選的。

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)生和不必要的接地環(huán)路。一般來說，適用以下規(guī)則：

· 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電壓降和其他寄生現(xiàn)象。

· 將大功率電路放置在遠離敏感電路的地方。

· 采取良好的接地措施。

在某些情況下，只要設(shè)備的外形尺寸允許，最好將組件放置在幾個不同的板上。

熱管理

適當(dāng)?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)表中指示的限值(對于硅基器件，通常在 +125 °C 到 +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熱兼容的封裝。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)建大型接地層和插入散熱過孔。第一種技術(shù)允許您增加 PCB 上可用于散熱的面積。很多時候，這些平面與板的上層或下層相連，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，散熱通孔用于將熱量從同一板上的一層傳遞到另一層。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)境的波動極其敏感。如果它們檢測到顯著的熱變化，它們可能會改變它們產(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非常重要，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)是去除 PCB 上的阻焊層。這會暴露底層的銅材料，然后可以用額外的焊料進行補充，以增加銅的厚度并降低 PCB 載流組件的整體電阻。雖然它可能更多地被認為是一種解決方法而不是設(shè)計規(guī)則，但該技術(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(dāng)電源軌在多個電路板組件之間分配和共享時，有源組件可能會產(chǎn)生危險現(xiàn)象，例如接地彈跳和振鈴。這可能會導(dǎo)致靠近組件電源引腳的電壓下降。為了解決這個問題，去耦電容器使用：電容器的一個端子必須盡可能靠近接收電源的組件的引腳，而另一端子必須直接連接到低阻抗接地層。目標是降低電源軌和接地之間的阻抗。去耦電容器充當(dāng)輔助電源，為組件在每個瞬態(tài)(電壓紋波或噪聲)期間提供所需的電流。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。去耦電容器的典型值為 0.1μF 陶瓷電容器。

材料

高功率 PCB 的設(shè)計需要使用具有特定特性的材料，首先是導(dǎo)熱性 (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，能夠以最小的溫升處理高功率水平。

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