盡管PCB 設計過程引人入勝且具有挑戰性，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。隨著電子設備尺寸的不斷縮小，必須適當考慮電源和熱管理等設計方面。本文將介紹設計人員在設計適合支持高功率應用的 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生額外成本，但有助于節省卡上的空間，因為具有更高的粘度，所需的軌道寬度要小得多。

PCB布局

應從 PCB 開發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 需要散發的熱量的重要因素。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；

電路板工作的環境溫度；

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 上的位置至關重要，例如負責產生大量熱量的電壓轉換器或功率晶體管。大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，例如微控制器、處理器和 FPGA，應放置在 PCB 的中心，以便在整個電路板上實現均勻的熱擴散，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域，以免形成熱點；相反，線性類型的布置是優選的。圖2 顯示了電子電路的熱分析，其中熱量最高的區域以紅色突出顯示。

圖 2：電子電路的熱分析

放置應從功率器件開始，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回路。一般而言，以下規則適用：

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，只要設備的外形允許這樣做。

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制（對于硅基器件，通常在 +125 °C 和 +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雜。

用于改進 PCB 熱管理的兩種主要技術包括創建大地平面和插入熱通孔。第一種技術允許您增加 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，熱通孔用于將熱量從同一板上的一層傳輸到另一層。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，例如穩壓器、放大器和轉換器，對周圍環境的波動極為敏感。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很重要，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計規則，但這種技術允許 PCB 走線承受更多功率，而無需增加走線寬度。

去耦電容

當電源軌在多個板組件之間分布和共享時，有源組件可能會產生危險現象，例如地彈和振鈴。這會導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（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 的設計需要使用具有特殊特性的材料，首先是導熱性 （TC）。傳統材料，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 （CTE） 非常相似的導電和導熱材料制造，以便材料因高功率或溫度而發生任何膨脹或收縮以相同的速率發生，從而最大限度地減少材料上的機械應力。

審核編輯：郭婷