盡管PCB 設計過程令人著迷且具有挑戰(zhàn)性，但采取一切必要的預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。隨著電子設備的尺寸不斷縮小，必須充分考慮電源和熱管理等設計方面。本文將介紹一些設計人員可以遵循的指南來設計適合支持高功率應用的 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。流經電路的功率的位置和數量是評估 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重要，例如電壓轉換器或功率晶體管，它們會產生大量熱量。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。高度集成的數字組件，如微控制器、處理器和 FPGA，應放置在 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。

布局應從功率器件開始，其走線應盡可能短且足夠寬，以消除噪聲產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

適當的熱管理?對于將每個組件保持在安全溫度范圍內是必要的。結溫絕不能超過制造商數據表中指示的限值(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雜。

用于改進 PCB 熱管理的兩種主要技術包括創(chuàng)建大型接地層和插入散熱過孔。第一種技術允許您增加 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生的信號，產生錯誤，并降低設備的可靠性。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計規(guī)則，但該技術允許 PCB 走線承受更多功率，而無需增加走線寬度。

去耦電容

當電源軌在多個電路板組件之間分配和共享時，有源組件可能會產生危險現象，例如接地彈跳和振鈴。這可能會導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 的設計需要使用具有特定特性的材料，首先是導熱性 (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 (CTE) 非常相似的導電和導熱材料來制造，以便材料因高功率或溫度而產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力。