与PCB 设计过程一样令人着迷和具有挑战性的是，采取所有必要的预防措施以确保电路正常运行非常重要，尤其是在处理高功率 PCB 时。

 

随着电子设备的尺寸不断缩小，电源和热管理等设计方面必须得到应有的考虑。

 

走线宽度和厚度

 

原则上，轨道越长，其阻力越大，散热量越大。由于目标是最小化功率损耗，为了确保电路的高可靠性和耐用性，建议使传导高电流的走线尽可能短。要正确计算轨道的宽度，知道可以通过它的最大电流，设计人员可以依靠 IPC-2221 标准中包含的公式，或使用在线计算器。

 

 

PCB布局

 

电路板布局应从 PCB 开发的早期阶段开始考虑。适用于任何大功率 PCB 的一个重要规则是确定电源所遵循的路径。流经电路的功率的位置和数量是评估 PCB 需要消散的热量的重要因素。影响印刷电路板布局的主要因素包括：

 

  • 流经电路的功率电；

 

  • 电路板工作的环境温度；

 

  • 影响电路板的气流量；

 

  • 用于制造PCB的材料；

 

  • 填充电路板的组件的密度。

 

尽管对于现代机械，这种需求不那么迫切，但在改变方向时，建议避免直角，而是使用 45° 角或曲线。

 

元件放置

 

首先，确定大功率元件在 PCB 上的位置至关重要。例如电压转换器或功率晶体管，它们负责产生大量热量。大功率组件不应安装在电路板边缘附近，因为这会导致热量积聚和温度显着升高。高度集成的数字组件，如微控制器、处理器和 FPGA，应位于 PCB 的中心，以实现整个电路板的均匀热扩散，从而降低温度。

 

在任何情况下，功率元件决不能集中在同一区域，以免形成热点；相反，线性排列是优选的。

 

布局应从功率器件开始，其走线应尽可能短且足够宽，以消除噪声产生和不必要的接地回路。一般来说，以下规则适用：

 

  • 识别和减少电流回路，特别是高电流路径。

 

  • 最大限度地减少组件之间的电阻电压降和其他寄生现象。

 

  • 将大功率电路远离敏感电路。

 

  • 采取良好的接地措施。

 

在某些情况下，最好将组件放置在几个不同的板上，只要设备的外形允许这样做。

 

热管理

 

适当的热管理对于将每个组件保持在安全温度范围内是必要的。硅基器件，通常在 +125 °C 和 +175 °C 之间。近年来，电子元件制造商制造了越来越多的热兼容封装。即使随着这些封装的进步，随着集成电路尺寸的不断缩小，散热也变得越来越复杂。

 

电子电路中使用的许多组件，例如稳压器、放大器和转换器，对周围环境的波动极为敏感。如果检测到显着的热变化，会改变产生的信号，出现错误，并降低设备的可靠性。因此，对这些元件进行热绝缘很重要，这样它们就不会受到电路板上产生的热量的影响。

 

阻焊层

 

另一种允许走线承载大量电流的技术是从 PCB 上去除阻焊层。这暴露了下面的铜材料，然后可以补充额外的焊料以增加铜的厚度并降低 PCB 载流组件的整体电阻。

 

虽然它可能被认为是一种解决方法而不是设计规则，但这种技术允许 PCB 走线承受更大的功率，而无需增加走线宽度。

 

去耦电容

当一个电源轨在多个电路板组件之间分配和共享时，有源组件可能会产生危险现象，例如接地反弹和振铃。这会导致靠近组件电源引脚的电压降。

 

为了克服这个问题，去耦电容使用：电容器的一个端子必须尽可能靠近接收电源的组件的引脚，而另一端子必须直接连接到低阻抗接地层。目标是降低电源轨和地之间的阻抗。

 

去耦电容器充当辅助电源，在电压纹波或噪声期间为组件提供所需的电流。选择去耦电容器时需要考虑几个方面。这些因素包括选择正确的电容器值、介电材料、几何形状以及电容器相对于电子元件的位置。去耦电容的典型值为 0.1μF 陶瓷电容。

 

材料

 

大功率 PCB 的设计需要使用具有特殊特性的材料，首先是导热性 (TC)。低成本 FR-4 等传统材料的 TC 约为 0.20 W/m/K。对于需要尽量减少热量增加的高功率应用，最好使用特定材料。

 

除了使用能够以低损耗处理功率和热量的材料外，PCB 还必须使用具有非常相似的热膨胀系数 (CTE) 的导电和热材料制造，以便材料因高功率或温度而发生任何膨胀或收缩以相同的速率发生，从而最大限度地减少材料上的机械应力。