大功率應(yīng)用的PCB設(shè)計的要求及要點(diǎn)

隨著技術(shù)的發(fā)展，電子設(shè)備愈發(fā)復(fù)雜，PCB作為其中的關(guān)鍵部件，設(shè)計也越來越復(fù)雜、精確和縝密，才能確保終端產(chǎn)品的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。我們此文所提及的大功率電路，需要被作為一個系統(tǒng)，而不僅僅是一個單一組件，來進(jìn)行考量。在進(jìn)行設(shè)計時，必須考慮其相關(guān)的所有組件，包括電路板、電子設(shè)備、散熱管理和電源等。

電動汽車充電設(shè)備 - 大功率PCB設(shè)計的一個應(yīng)用實(shí)例

需要進(jìn)行大功率電路設(shè)計的一些應(yīng)用和終端產(chǎn)品包括：

工業(yè)電源

伺服電機(jī)

電動汽車充電樁

以下是大功率電路設(shè)計的一些示例：

用于EV電池的充電系統(tǒng)

300瓦功率的電視

航天器熱管理系統(tǒng)

超過3000流明的投影

需要5KW功率的熱電冷卻器

大功率電路設(shè)計的考慮因素

大功率電路比小功率電路承載高一個數(shù)量級的電壓或電流。在進(jìn)行電路設(shè)計時，設(shè)計人員需要確保電路能夠在要求的電壓和電流下運(yùn)行，并具備足夠的冷卻和安全系統(tǒng)設(shè)置。以下是進(jìn)行大功率電路設(shè)計時需要考慮的幾個方面：

散熱管理

大功率電子設(shè)備產(chǎn)生的熱量幾倍于小功率設(shè)備，因此在進(jìn)行設(shè)計時，散熱管理非常重要。正確進(jìn)行熱量管理，電路板才不會因熱量積聚而出現(xiàn)過熱和失效。散熱管理可以使用被動和主動冷卻結(jié)合的方法來實(shí)現(xiàn)。被動冷卻包括使用低導(dǎo)熱性材料，例如絕緣塑料或陶瓷，主動冷卻指使用電扇或冷卻液系統(tǒng)來進(jìn)行散熱。

材料

PCB中常用的材料是FR4，在大功率應(yīng)用中，由于熱應(yīng)力增加，材料性能的重要性被凸顯。與大功率應(yīng)用相關(guān)性最高的材料屬性是高Tg和高Td，以及穩(wěn)定的熱膨脹系數(shù)CTE。在某些情況下也要求具有高相比漏電起痕指數(shù)（CTI-Comparative tracking index，指基材表面經(jīng)受住50滴0.1%氯化銨水溶液而沒有形成漏電痕跡的最高電壓值）。

阻焊層

阻焊層是PCB表面的保護(hù)層，保護(hù)銅免受腐蝕和污染。阻焊工藝可分為兩類：濕膜和干膜。濕膜通過紫外線固化，將感光油墨附著到板面，而干膜則是通過紫外線照射后聚合反應(yīng)，形成一種穩(wěn)定物質(zhì)附著于板面。大功率電路設(shè)計需要特別考慮阻焊工藝，因?yàn)槠涓菀资艿礁g和污染。

設(shè)計

大多數(shù)大功率PCB設(shè)計通常使用某種類型的設(shè)計，分為兩類：布局設(shè)計或參考設(shè)計。布局是指規(guī)劃元器件在PCB上的位置，而參考設(shè)計通常是考慮具體布局的情況下進(jìn)行的。PCB的布局需要滿足，既能承載大功率元件，又能減少噪聲產(chǎn)生。所以在進(jìn)行大功率PCB設(shè)計時需要遵循如下規(guī)則：

盡量減小接地回路

元器件選型考慮最大額定電壓

降低電路噪音，盡量減少走線上的電感，過孔上的電容

考慮散熱

考慮減少靜電放電（ESD）的損害，增加靜電防護(hù)電路

非關(guān)鍵信號必須包地保護(hù)

元件布局

大功率電路考慮降低PCB熱阻的設(shè)計思路， PCB上有大功率元件時，可以通過以下兩種方式實(shí)現(xiàn)：

第一種方式，是將各部件貼近放置，降低熱阻，小面積的銅面散熱即可

第二種方式，是將各部件分散放置，鋪大面積的銅面散熱（銅皮上增加開窗，上錫）

導(dǎo)體的寬度和厚度

銅皮厚度是由它們所需承載的功率決定的。功率越大，銅皮就越厚。銅皮的寬度由功能決定，內(nèi)層走線比外層窄，因?yàn)樗鼈儾皇芡獠扛蓴_，接地銅皮寬度最寬，因?yàn)樗枰獙?shí)現(xiàn)接地的功能，同時兼散熱。

我們有什么設(shè)計建議？

功率越大，產(chǎn)生的熱量就越多，電路板需要處理的積聚的熱量也就越多，這也就意味著你需要使用更大的銅面積、更多的通孔，和更厚的絕緣層，以防電路板過熱。埋銅技術(shù)會被應(yīng)用到電路板的散熱需求中。你可以在這里了解關(guān)于這項技術(shù)的信息。

如何在設(shè)計參數(shù)內(nèi)確保安全性和可靠性？

以下是設(shè)計大功率PCB時應(yīng)該考慮的一些注意事項：

設(shè)計工程師應(yīng)該了解大功率對PCB設(shè)計的要求，同時了解PCB供應(yīng)商的工藝能力

設(shè)計時應(yīng)考慮功率器件的熱量對布局的整體散熱方案的影響

設(shè)計時應(yīng)考慮電磁干擾（EMI）對附近其他設(shè)備的影響

設(shè)計應(yīng)考慮到過載產(chǎn)生的潛在危險，比如火災(zāi)、煙霧或爆炸

審核編輯：湯梓紅