與 PCB 設計過程一樣令人著迷和具有挑戰性的是，采取所有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，電源和熱管理等設計方面必須得到應有的考慮。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，其阻力越大，散熱量越大。由于目標是最小化功率損耗，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。要正確計算軌道的寬度，知道可以通過它的最大電流，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的內層典型值約為 17.5 μm (1/2 oz/ft ² )，外層和接地層約為 35 μm (1 oz/ft ² ) . 大功率 PCB 通常使用較厚的銅來減少相同電流的走線寬度。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的成本，但有助于節省卡上的空間，因為粘度更高，所需的軌道寬度要小得多。

PCB布局

電路板布局應從 PCB 開發的早期階段開始考慮。適用于任何大功率 PCB 的一個重要規則是確定電源所遵循的路徑。流經電路的功率的位置和數量是評估 PCB 需要消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；
• 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；
• 填充電路板的組件的密度。

盡管對于現代機械，這種需求不那么迫切，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 上一個角的布線

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元件放置

首先確定大功率元件在 PCB 上的位置至關重要，例如電壓轉換器或功率晶體管，它們負責產生大量熱量。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，如微控制器、處理器和 FPGA，應位于 PCB 的中心，以實現整個電路板的均勻熱擴散，從而降低溫度。在任何情況下，功率元件決不能集中在同一區域，以免形成熱點；相反，線性排列是優選的。圖 2顯示了電子電路的熱分析，熱集中度最高的區域以紅色突出顯示。

圖 2：電子電路的熱分析

圖 2：電子電路的熱分析

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回路。一般來說，以下規則適用：

• 識別和減少電流回路，特別是高電流路徑。
• 最大限度地減少組件之間的電阻電壓降和其他寄生現象。
• 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，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。結溫不應超過制造商數據表中規定的限值（對于硅基器件，通常在 +125 °C 和 +175 °C 之間）。每個組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。即使隨著這些封裝的進步，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型接地層和插入熱通孔。第一種技術允許您增加 PCB 上可用于散熱的區域。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；但是，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遞到另一層。它們的功能是將熱量從電路板上的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。這暴露了下面的銅材料，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。雖然它可能被認為是一種解決方法而不是設計規則，但這種技術允許 PCB 走線承受更大的功率，而無需增加走線寬度。

去耦電容

當一個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，例如接地反彈和振鈴。這會導致靠近組件電源引腳的電壓降。為了克服這個問題，去耦電容使用：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地之間的阻抗。去耦電容器充當輔助電源，在每個瞬態（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

大功率 PCB 的設計需要使用具有特殊特性的材料，首先是導熱性 (TC)。低成本 FR-4 等傳統材料的 TC 約為 0.20 W/m/K。對于需要盡量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，可處理高功率水平且溫升最小。

除了使用能夠以低損耗處理功率和熱量的材料外，PCB 還必須使用具有非常相似的熱膨脹系數 (CTE) 的導電和熱材料制造，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：劉清