14種大功率PCB設計技巧，圖文+案例

今天給大家分享的是大功率 PCB 設計、大功率 PCB 設計技巧。

一、什么是 大功率 PCB？

大功率 PCB 由重銅制成的印刷電路板。與其他電路板相比，大功率PCB 能夠處理更高的電流速率，它能夠長時間抵抗高溫，提供了強大的連接點。

大功率PCB

大功率PCB特性

為特定設備制造高功率 PCB 設計，需要更高量的電流，并且經常受到變化的溫度影響。

為了使它們有效地執行，大功率 PCB 設計包含以下特性：與其他 PCB 中的銅層相比，高功率 PCB 設計中的銅層更厚更重，能夠傳導更高的電流。

PCB 中的熱傳遞

這種傳導更高電流的能力與散熱能力相結合，這有助于確保在由電路板制成的設備操作期間不會發生短路。由于這些原因，高功率 PCB 能夠抵抗并適應設備使用的波動溫度。

二、大功率PCB設計的類型

目前市場上有很多的大功率PCB可供選擇，這里列舉3種比較常見的分類標準：

1、雙面大功率PCB

這些是大功率印刷電路板，允許在兩側安裝組件。這個是使用高功率PCB制作的入門級別產品。

使用過孔，在頂層和底層之間交替布線，與單面大功率印刷電路相比，這使它們更加高效和可靠。

雙面PCB

2、剛柔結合大功率PCB設計

大功率印刷電路由剛性和柔性電路基板組成。

通常情況下，剛柔結合的高功率板由多層柔性基板組成，然后將這些柔性基板連接到一個或多個剛性板上。

剛性柔性PCB設計

這種附件是在內部或外部完成的，高功率剛撓結合板的預期應用對于確定如何完成連接至關重要。

此外，靈活的組件設計為始終靈活。這種靈活性在需要額外空間的角落和區域很有用。剛性基板在需要額外支持的領域很有幫助。

憑借這些功能，可以確保這些高功率剛撓結合板在制造和安裝過程中可以彎曲。剛柔結合技術使高功率 PCB 能夠適應更小的應用，這導致增強的性能和便利性。

3、多層大功率PCB設計

多層大功率電路板具有至少三個導電層。交叉電路板電鍍通孔是這些板中最常用的電氣連接策略。

根據制造電路板的目的，導電層可以多達十二層。但是，有些公司現在正在制造多達 100 層的 PCB，為制造一些最復雜的高功率 PCB 應用提供了空間。

多層PCB

三、大功率PCB設計的優勢

大功率PCB設計

1、增加對熱應變的耐受性

高功率 PCB 的厚銅使其能夠承受所承受的熱應力。因此，由高功率 PCB 制成的設備能夠抵抗熱波動，使其可靠，所以一般在制造軍事方面應用比較多。

2、增加電流承載能力

重銅還使高功率 PCB 能夠在沒有太大壓力的情況下傳導大電流，具有較輕銅的 PCB 上的高電流容易發生故障和故障。

諸如電源變壓器之類的設備會暴露在非常高的電流下，如果沒有大功率 PCB，它們很可能會發生故障或引發一些電路災難。

3、 增加連接器部位和 PTH 孔的機械強度

用于制造高功率 PCB 的重銅賦予其機械強度，這對于支持安裝在板上的組件非常重要，連接器部位在高功率 PCB 中得到加強。這延伸到通孔，這些通孔也由銅制成。

4、縮小產品尺寸

大功率PCB設計也有助于減小產品尺寸。這是通過將多個銅重量結合到電路的同一層上來實現的，解釋了它在軍事應用中的偏好，因為大多數產品必須是便攜式的。

5、熱傳遞到外部散熱器

使用厚重的鍍銅通孔，可以實現通過電路板的高電流傳輸。這有助于將熱量傳遞到外部散熱器，使高功率 PCB 成為需要高電流才能有效運行的應用中最有效的電路板。

大功率PCB設計中的散熱片也可以直接鍍在板上，這里就解釋了為什么高功率PCB設計經常被使用在工業中。

四、示例大功率PCB設計原理圖

這里有舉了一個大功率PCB設計例子，基于Atmega328 微控制器的高功率 PCB。將板控制兩個帶有集成H橋驅動器的直流電機。由于H橋還可以驅動幾乎任何電感/電阻負載，還可以驅動大電流 LED面板，指定每個輸出驅動15A負載，總共30A。

大功率PCB設計

上面的原理圖使用兩個VNH5019A 集成 H 橋驅動器，它們每個都可以連續驅動 30A 的電流。Atmega328 將控制驅動器的邏輯，單個 12VDC 電源將為電路板供電。

開關穩壓器的下降將為 ATmega 提供 5VDC 電源。VNH 已拉高所有邏輯，除了為電機提供旋轉方向的 Ina/b 線。如果需要更多的控制，你可以通過 ATmega 控制 ENa/b 引腳。

VNH 能夠處理大部分的反激保護，只需要 1000uF 的電解電容。這里使用 74651195R 85A 螺釘端子作為主 12VDC 電源輸入，并使用兩個1792229 30A 卡扣端子塊作為電機輸出。

每個VNH 驅動器都有一個 30A 輸入保險絲和一個 15A 保險絲。驅動器的保險絲在驅動器之前，因為驅動器可以提供30A，保險絲應該在驅動器過載之前熔斷。

這樣可以確保在保險絲熔斷時雙方都被切斷，因為驅動器根本沒有電。另一種選擇是融合 H 橋驅動器的兩個輸出，但這可能會使一側在短路后仍然發熱。

五、大功率PCB設計技巧

1、考慮安全

與任何電路一樣，大電流電路的主要關注點是確保其安全運行。驅動如此高功率負載的電路板存在一些獨特的潛在問題，主要需要注意的還是熱量。無論你如何設計和布置電路板，都會產生比標準電路板更多的熱量。

制造外殼時必須始終考慮這一點，并應使用外部通風口/風扇。對所有驅動超過幾 A 的設計所做的事情是在 PCB 上安裝一個專用的溫度傳感器。這是一個很棒的基于固件的故障保護。憑借監控溫度的能力，你應該始終能夠對任何過熱情況做出反應。為了減少電路板本身產生的熱量，最好選擇低電阻的元件。

下一個潛在的安全隱患是關于短路的。由于該板設計用于驅動大功率設備，當短路時，它將能夠提供相當大的電流。在設計階段考慮這種可能性至關重要。處理短路的最簡單方法是在離開電路板的所有 輸出上安裝一個保險絲，以及一個輸入保險絲。保險絲的額定電流應始終小于所使用的電線可以處理的電流。它們的額定電流也應小于/等于電路板走線/澆注設計的電流量。使用內置短路預防功能的驅動器也是一個好主意。

2、PCB電源設計

電源路徑的建立是大功率 PCB 電路最重要的規則，這對于確定應該流經電路的功率的位置和數量至關重要，還需要 IC 的位置和電路板所需的散熱量。

有許多因素會影響指定設計的布局：

首先要考慮的應該是流經電路的電量

同樣重要的是設備和電路板設計的環境溫度

還應該考慮設備甚至電路板周圍的預期氣流量

另一個考慮因素是將使用的電路板材料

最后一個同樣重要的因素是打算使用的電路板的 IC 密度

3、PCB 設計布局

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。

但通常喜歡將這樣的電路板分成低功率和高功率部分。這可確保所有高功率走線盡可能靠近電源和輸出。該板將是 2 層，具有 2 盎司銅。

在做大電流 PCB 時學到的東西，就是做一個粗略的初始布局，在所有東西上都有 8 百萬條跡線，以確保以優化的方式放置組件。這對這個例子有很大幫助，因為它顯示了高電流路徑的確切位置，以及如何最好地定位H橋驅動器。

具有 8 mil 走線的粗略電路板布局

上圖顯示了所有組件的初始布局，以及 8 mil 的走線，用于指定所有最終走線的路徑。電源將從底部端子進入，進入輸入保險絲，分支到H 橋驅動器，低電流電源將通過電路板的中心上升到 5V 穩壓器。

對于 H 橋驅動器，電源將通過底層的大型電解電容器進入它們，通過許多縫合過孔連接頂層和焊盤。

PCB大功率設計

4、元器件選擇

大電流設計和電源系統通常從組件中獲得大部分可靠性。聽起來很明顯，請確保在選擇過程中考慮到組件的安全裕度。一般來說，最好從查看兩個規范開始：

額定電流，特別是 MOSFET 和電感元件

熱阻值

（如果有）可以使用估計或設計的工作電流來確定功耗，或使用上述第一個規范來獲得最壞情況下的值。這兩者都將有助于熱管理，這需要使用熱阻值來估計溫度。對于某些組件，可以確定是否需要散熱器來確?？煽啃?。

對大電流電路板很重要的其他組件（例如連接器）可能具有非常高的額定值，并且在電力系統中很有用。下面顯示了可以處理非常高電流的兩個機械螺釘端子連接器示例。

連接器

5、合適的銅重量

走線中使用的銅電阻會產生一些直流功率損耗，這些損耗會以熱量的形式消散。對于電流非常大的設計，這變得非常重要，尤其是在元件密度很高的情況下。

防止大電流 PCB 中直流損耗的唯一方法是使用具有較大橫截面積的銅。這意味著，要么需要較重的銅，要么需要更寬的走線以保持焦耳熱和功率損耗足夠低。

使用 PCB 走線寬度與電流表來確定防止過度溫升所需的銅重量和/或走線寬度。

6、接地

PCB大功率系統能需要使用同一種安全故障措施。通過適當的接地策略可以實現一定程度的安全性和 EMI。通常，不應分開接地，但涉及高電流和/或高電壓的電力系統是一個例外。接地需要在輸入交流、非穩壓直流和穩壓直流部分之間分開。

一個很好的起點是你可以在交流系統或隔離電源中找到的接地策略。通常，對于大電流電源系統，你將采用 3 線直流布置（PWR、COM、GND），其中 GND 連接實際上是接地連接。你的電路板可能使用隔離策略，其中輸出側與 GND 斷開，而輸入側接地以確保發生故障時的安全。

7、元器件放置

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。下圖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。

PCB大功率設計熱分析

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：

PCB 元器件放置

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。

除了上述布局考慮之外，還必須避免將板上不同的電源組件混為一談。為使電路板實現熱平衡，請確保將這些熱量元件均勻分布在整個電路板上。

這也將有效地保護電路板不翹曲。因此，你可以確保減少電路板上的熱量并保護敏感電路。信號在運行過程中也將受到同等保護。

8、IC 和元件安裝

每當電路中有功率流時，很明顯所有組件都會產生熱量。當無源元件和 IC 產生熱量時，熱量很可能會消散。這些熱量散發到設備周圍較冷的環境空氣中。

IC元件貼裝

這種耗散是通過器件的引線框架或通過封裝實現的。因此，大多數 IC 封裝的設計都不會為外部散熱片留出太多空間。

此外，這需要一種可以從設備中提取熱量的方法。外露焊盤就是這樣一種方法。為了使熱性能達到最佳，請在封裝內使用裸片。

這個模具應該有一個直接連接到它的EP。然后可以將這些 IC 正確安裝在板上。這樣一來，從封裝到電路板的熱傳遞將得到優化。

9、散熱片

使用熱量的目的是防止在焊接時熱芯吸到周圍的銅澆注中。對于很多大功率 PCB 設計，一般都使用大功率鐵在內部手工焊接。即使在 2Oz 銅上，它也可以快速處理實心焊盤。我傾向于在所有非電源網絡上使用散熱，并在電源網絡上使用牢固的連接。

顯示熱釋放的填充平面

上圖顯示了放置散熱片的位置。主輸入電源、保險絲和輸出不使用熱量，其他所有網絡都使用熱量。這種技術在多種設計中都非常有效，生產了數百塊電路板，很少遇到過焊接部件松動的問題或與冷焊點相關的任何其他問題。

10、走線厚度和寬度

在設計任何電路板時，你需要了解最小走線寬度。這在處理高功率 PCB 時變得至關重要。

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。

走線厚度和寬度

11、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。

12、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。

選擇去耦電容時需要考慮幾個方面。這些因素包括選擇正確的電容值、介電材料、幾何形狀以及電容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。

13、加倍圖層

在很多大功率電路中使用過的一種技術是沒有經常使用的，它是雙層銅澆注并將它們與通孔縫合在一起，這種雙層允許兩倍數量的銅在同一區域內。對于這塊板，將主電源輸入上的銅從終端加倍到輸入保險絲。下圖顯示了這一點。

當你使用此技術時，創建電流回路的機會增加，因為有一個沒有返回電流可以流過的部分。我不相信在網絡上使用從輸入保險絲到 F3/F4 的兩層，因為這是大量返回電流流過的地方。

主電源輸入的雙倍層特寫

這種澆注的最小寬度為 460 密耳，但由于它位于頂層和底層，實際寬度是其兩倍，從而使整個網絡的電壓降小得多。電壓降越小，產生的熱量就越少。

14、覆銅

無論設計哪種類型的電路板，通常會嘗試為所有電源網絡使用銅澆注。在處理專用的大電流設計時，所有承載高功率的網絡都應該是一個傾倒的。覆銅可以顯著增加可以安裝在板上的銅的寬度。

在所有高電流網絡上使用覆銅的布局

上圖顯示了電路板的高電流部分，在所有大電流網絡上都使用了銅澆注。通過澆注而不是痕跡，能夠大量增加銅的數量。用來幫助設計更快一點的技巧是使用 20mil 的網格并使用它來確保所有的傾倒都以 45 度角進行對稱。

六、大功率PCB設計步驟

1、準備基材

在制造過程開始之前，必須徹底清潔層壓板。由于大功率 PCB 設計中使用的銅線圈通常具有抗銹蝕特性，因此這種預清潔是必不可少的，這些通常由供應商完成以提供抗氧化保護。

2、電路模式的生成

在設計高功率 PCB 時，將使用兩種主要技術來實現這一目標。這些技術包括：

絲網印刷——這是最優選的方法，因為它能夠產生所需的電路圖案。這可以歸因于它能夠準確地沉積在層壓板的表面上。

照片成像——這是設計高功率 PCB 中使用的最古老的技術。但是，它仍然是在層壓板上描繪電路跡線的常用方法。

這種技術有助于確保由預期電路組成的干光刻膠膜放置在層壓板上。所得材料暴露于紫外線下。因此，光掩模上的圖案被轉移到層壓板上。薄膜以化學方式從層壓材料中去除。這使層壓板具有預期的電路圖案。

3、蝕刻電路圖案

在設計高功率 PCB 時，這通常是通過將層壓板浸入蝕刻槽中來實現的?；蛘?，它們可以使用適當的蝕刻劑溶液進行噴涂。為了獲得所需的結果，同時對兩側進行蝕刻。

4、鉆孔過程

蝕刻后，下一步是鉆孔。在這一步中，鉆孔、焊盤和通孔被鉆孔。要鉆出精確的孔，你必須確保鉆孔工具是高速的，在創建超小孔時使用激光鉆孔方法。

5、通孔電鍍

在設計大功率 PCB 時，這是一個必須非常小心和精確地處理的步驟。在鉆出所需的孔后，將銅沉積在其中。

與其他電路板不同，這是大量完成并做得更厚。然后對它們進行化學鍍層。結果是跨層形成電互連。

6、覆蓋層或覆蓋涂層的應用

在大功率設計中保護電路板的兩面是必不可少的。這可以通過應用覆蓋層來實現。

這一點的重要性在于提供對惡劣環境的保護。這對于高功率 PCB 至關重要，因為它們會受到溫度波動的影響。這種覆蓋層還可以防止刺激性化學品和溶劑。

用粘合劑支撐的聚酰亞胺薄膜是最常用的覆蓋層材料，絲網印刷可以將覆蓋層壓印在表面上。

使用紫外線照射，實現固化。在覆蓋層的層壓過程中施加受控的熱量和壓力。覆蓋層材料和覆蓋層之間存在顯著差異。覆蓋層是一種層壓薄膜，而覆蓋層是指可以直接應用于基材表面的材料。

有許多因素決定了覆蓋物的類型。它們包括制造過程中使用的方法、使用的材料和應用領域。這兩種涂層對于增強整個組件的電氣完整性都是必不可少的。

7、電氣測試和驗證

電路板經過了一系列電氣測試，仔細檢查性能等因素。你還需要使用設計規范作為閾值來評估質量。

七、大功率PCB加工

以下這些是比較基礎的步驟：

打印內層

對齊圖層

鉆孔

鍍銅

外層成像

鍍銅和鍍錫

最終蝕刻

應用阻焊層

應用表面光潔度

應用絲印

砧板

1、重銅電路結構

在大功率PCB設計中，使用了厚銅電路。這通常需要特殊的蝕刻技術。

一站式大功率PCB設計

這里用于編織的技術也與用于其他 PCB 的技術完全不同，使用高速電鍍和差分蝕刻。

當電鍍厚銅電路時，可以繼續增加電路板的厚度。還可以將厚銅與單板上的標準功能混合使用。這也稱為電源鏈路。這將轉化為許多優勢，包括減少的層數。電力也將得到有效分配。

這也將允許在板上合并高電流電路和控制電路。此外也提供了一個簡單的電路板結構。

2、載流量和溫升

估計走線可以輕松承載的最大電流。這可以通過找出一種可以估計熱量上升的方法來確定。這與您應用的電流有關。

最理想的情況是達到穩定的工作溫度，在這種情況下，加熱速率等于冷卻速率。當您=你的電路可以承受高達 100°C 的溫度時，你就可以開始使用了。

3、電路板強度和生存能力

你可以從多種介電材料中進行選擇。其中包括工作溫度高達 130°C 的 FR4。另一種介電材料是高溫聚酰亞胺，它可以在高達 250°C 的溫度下工作。

更高的溫度需要使用特殊材料，以使它們能夠在極端條件下生存。有幾種方法可用于測試和確定成品的熱完整性。其中一種方法是使用熱循環測試。有助于在進行 空對空熱循環時檢查電路的電阻。從 25°C 到 260°C 檢查此循環。

增加的電阻會通過銅電路中的裂縫導致電氣完整性的破壞。對于此測試，請確保使用由 32 個電鍍通孔組成的鏈。這是因為它們被認為是電路中最薄弱的點，尤其是當它們受到熱應力時。

厚銅電路通常會減少或消除這些電路板固有的故障。這是因為銅電路在由于熱循環而產生的機械應力階段會變得不可滲透。

4、熱管理

熱量通常在電子設備運行期間產生，必須從源頭消散并輻射到外部環境。如果不這樣做，則組件可能會過熱，從而導致故障。

重銅有助于減少熱量。它將熱量從組件中傳導出去，從而大大降低了故障率。使用散熱器以實現熱源的適當散熱。散熱器將同樣地將熱量從產生熱量的來源散發出去。這是通過向環境傳導和散發熱量來完成的。

用銅通孔與電路板一側的裸銅區域進行連接。經典的散熱器可以粘合到銅的基面上。這是通過導熱粘合劑實現的。在其他情況下，它們是鉚接或螺栓連接的。

這些散熱器通常由銅或鋁制成，制造高功率 PCB 時會創建內置散熱器。這不需要額外的組裝。銅電路技術允許在電路板表面的任何部分添加厚銅散熱器。