14种大功率PCB设计技巧，图文+案例

今天给大家分享的是大功率 PCB 设计、大功率 PCB 设计技巧。

一、什么是 大功率 PCB？

大功率 PCB 由重铜制成的印刷电路板。与其他电路板相比，大功率PCB 能够处理更高的电流速率，它能够长时间抵抗高温，提供了强大的连接点。

大功率PCB

大功率PCB特性

为特定设备制造高功率 PCB 设计，需要更高量的电流，并且经常受到变化的温度影响。

为了使它们有效地执行，大功率 PCB 设计包含以下特性：与其他 PCB 中的铜层相比，高功率 PCB 设计中的铜层更厚更重，能够传导更高的电流。

PCB 中的热传递

这种传导更高电流的能力与散热能力相结合，这有助于确保在由电路板制成的设备操作期间不会发生短路。由于这些原因，高功率 PCB 能够抵抗并适应设备使用的波动温度。

二、大功率PCB设计的类型

目前市场上有很多的大功率PCB可供选择，这里列举3种比较常见的分类标准：

1、双面大功率PCB

这些是大功率印刷电路板，允许在两侧安装组件。这个是使用高功率PCB制作的入门级别产品。

使用过孔，在顶层和底层之间交替布线，与单面大功率印刷电路相比，这使它们更加高效和可靠。

双面PCB

2、刚柔结合大功率PCB设计

大功率印刷电路由刚性和柔性电路基板组成。

通常情况下，刚柔结合的高功率板由多层柔性基板组成，然后将这些柔性基板连接到一个或多个刚性板上。

刚性柔性PCB设计

这种附件是在内部或外部完成的，高功率刚挠结合板的预期应用对于确定如何完成连接至关重要。

此外，灵活的组件设计为始终灵活。这种灵活性在需要额外空间的角落和区域很有用。刚性基板在需要额外支持的领域很有帮助。

凭借这些功能，可以确保这些高功率刚挠结合板在制造和安装过程中可以弯曲。刚柔结合技术使高功率 PCB 能够适应更小的应用，这导致增强的性能和便利性。

3、多层大功率PCB设计

多层大功率电路板具有至少三个导电层。交叉电路板电镀通孔是这些板中最常用的电气连接策略。

根据制造电路板的目的，导电层可以多达十二层。但是，有些公司现在正在制造多达 100 层的 PCB，为制造一些最复杂的高功率 PCB 应用提供了空间。

多层PCB

三、大功率PCB设计的优势

大功率PCB设计

1、增加对热应变的耐受性

高功率 PCB 的厚铜使其能够承受所承受的热应力。因此，由高功率 PCB 制成的设备能够抵抗热波动，使其可靠，所以一般在制造军事方面应用比较多。

2、增加电流承载能力

重铜还使高功率 PCB 能够在没有太大压力的情况下传导大电流，具有较轻铜的 PCB 上的高电流容易发生故障和故障。

诸如电源变压器之类的设备会暴露在非常高的电流下，如果没有大功率 PCB，它们很可能会发生故障或引发一些电路灾难。

3、 增加连接器部位和 PTH 孔的机械强度

用于制造高功率 PCB 的重铜赋予其机械强度，这对于支持安装在板上的组件非常重要，连接器部位在高功率 PCB 中得到加强。这延伸到通孔，这些通孔也由铜制成。

4、缩小产品尺寸

大功率PCB设计也有助于减小产品尺寸。这是通过将多个铜重量结合到电路的同一层上来实现的，解释了它在军事应用中的偏好，因为大多数产品必须是便携式的。

5、热传递到外部散热器

使用厚重的镀铜通孔，可以实现通过电路板的高电流传输。这有助于将热量传递到外部散热器，使高功率 PCB 成为需要高电流才能有效运行的应用中最有效的电路板。

大功率PCB设计中的散热片也可以直接镀在板上，这里就解释了为什么高功率PCB设计经常被使用在工业中。

四、示例大功率PCB设计原理图

这里有举了一个大功率PCB设计例子，基于Atmega328 微控制器的高功率 PCB。将板控制两个带有集成H桥驱动器的直流电机。由于H桥还可以驱动几乎任何电感/电阻负载，还可以驱动大电流 LED面板，指定每个输出驱动15A负载，总共30A。

大功率PCB设计

上面的原理图使用两个VNH5019A 集成 H 桥驱动器，它们每个都可以连续驱动 30A 的电流。Atmega328 将控制驱动器的逻辑，单个 12VDC 电源将为电路板供电。

开关稳压器的下降将为 ATmega 提供 5VDC 电源。VNH 已拉高所有逻辑，除了为电机提供旋转方向的 Ina/b 线。如果需要更多的控制，你可以通过 ATmega 控制 ENa/b 引脚。

VNH 能够处理大部分的反激保护，只需要 1000uF 的电解电容。这里使用 74651195R 85A 螺钉端子作为主 12VDC 电源输入，并使用两个1792229 30A 卡扣端子块作为电机输出。

每个VNH 驱动器都有一个 30A 输入保险丝和一个 15A 保险丝。驱动器的保险丝在驱动器之前，因为驱动器可以提供30A，保险丝应该在驱动器过载之前熔断。

这样可以确保在保险丝熔断时双方都被切断，因为驱动器根本没有电。另一种选择是融合 H 桥驱动器的两个输出，但这可能会使一侧在短路后仍然发热。

五、大功率PCB设计技巧

1、考虑安全

与任何电路一样，大电流电路的主要关注点是确保其安全运行。驱动如此高功率负载的电路板存在一些独特的潜在问题，主要需要注意的还是热量。无论你如何设计和布置电路板，都会产生比标准电路板更多的热量。

制造外壳时必须始终考虑这一点，并应使用外部通风口/风扇。对所有驱动超过几 A 的设计所做的事情是在 PCB 上安装一个专用的温度传感器。这是一个很棒的基于固件的故障保护。凭借监控温度的能力，你应该始终能够对任何过热情况做出反应。为了减少电路板本身产生的热量，最好选择低电阻的元件。

下一个潜在的安全隐患是关于短路的。由于该板设计用于驱动大功率设备，当短路时，它将能够提供相当大的电流。在设计阶段考虑这种可能性至关重要。处理短路的最简单方法是在离开电路板的所有 输出上安装一个保险丝，以及一个输入保险丝。保险丝的额定电流应始终小于所使用的电线可以处理的电流。它们的额定电流也应小于/等于电路板走线/浇注设计的电流量。使用内置短路预防功能的驱动器也是一个好主意。

2、PCB电源设计

电源路径的建立是大功率 PCB 电路最重要的规则，这对于确定应该流经电路的功率的位置和数量至关重要，还需要 IC 的位置和电路板所需的散热量。

有许多因素会影响指定设计的布局：

首先要考虑的应该是流经电路的电量

同样重要的是设备和电路板设计的环境温度

还应该考虑设备甚至电路板周围的预期气流量

另一个考虑因素是将使用的电路板材料

最后一个同样重要的因素是打算使用的电路板的 IC 密度

3、PCB 设计布局

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：

流经电路的功率电平；

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。

但通常喜欢将这样的电路板分成低功率和高功率部分。这可确保所有高功率走线尽可能靠近电源和输出。该板将是 2 层，具有 2 盎司铜。

在做大电流 PCB 时学到的东西，就是做一个粗略的初始布局，在所有东西上都有 8 百万条迹线，以确保以优化的方式放置组件。这对这个例子有很大帮助，因为它显示了高电流路径的确切位置，以及如何最好地定位H桥驱动器。

具有 8 mil 走线的粗略电路板布局

上图显示了所有组件的初始布局，以及 8 mil 的走线，用于指定所有最终走线的路径。电源将从底部端子进入，进入输入保险丝，分支到H 桥驱动器，低电流电源将通过电路板的中心上升到 5V 稳压器。

对于 H 桥驱动器，电源将通过底层的大型电解电容器进入它们，通过许多缝合过孔连接顶层和焊盘。

PCB大功率设计

4、元器件选择

大电流设计和电源系统通常从组件中获得大部分可靠性。听起来很明显，请确保在选择过程中考虑到组件的安全裕度。一般来说，最好从查看两个规范开始：

额定电流，特别是 MOSFET 和电感元件

热阻值

（如果有）可以使用估计或设计的工作电流来确定功耗，或使用上述第一个规范来获得最坏情况下的值。这两者都将有助于热管理，这需要使用热阻值来估计温度。对于某些组件，可以确定是否需要散热器来确保可靠性。

对大电流电路板很重要的其他组件（例如连接器）可能具有非常高的额定值，并且在电力系统中很有用。下面显示了可以处理非常高电流的两个机械螺钉端子连接器示例。

连接器

5、合适的铜重量

走线中使用的铜电阻会产生一些直流功率损耗，这些损耗会以热量的形式消散。对于电流非常大的设计，这变得非常重要，尤其是在元件密度很高的情况下。

防止大电流 PCB 中直流损耗的唯一方法是使用具有较大横截面积的铜。这意味着，要么需要较重的铜，要么需要更宽的走线以保持焦耳热和功率损耗足够低。

使用 PCB 走线宽度与电流表来确定防止过度温升所需的铜重量和/或走线宽度。

6、接地

PCB大功率系统能需要使用同一种安全故障措施。通过适当的接地策略可以实现一定程度的安全性和 EMI。通常，不应分开接地，但涉及高电流和/或高电压的电力系统是一个例外。接地需要在输入交流、非稳压直流和稳压直流部分之间分开。

一个很好的起点是你可以在交流系统或隔离电源中找到的接地策略。通常，对于大电流电源系统，你将采用 3 线直流布置（PWR、COM、GND），其中 GND 连接实际上是接地连接。你的电路板可能使用隔离策略，其中输出侧与 GND 断开，而输入侧接地以确保发生故障时的安全。

7、元器件放置

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。下图显示了电子电路的热分析，热集中度最高的区域以红色突出显示。

PCB大功率设计热分析

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：

PCB 元器件放置

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。

除了上述布局考虑之外，还必须避免将板上不同的电源组件混为一谈。为使电路板实现热平衡，请确保将这些热量元件均匀分布在整个电路板上。

这也将有效地保护电路板不翘曲。因此，你可以确保减少电路板上的热量并保护敏感电路。信号在运行过程中也将受到同等保护。

8、IC 和元件安装

每当电路中有功率流时，很明显所有组件都会产生热量。当无源元件和 IC 产生热量时，热量很可能会消散。这些热量散发到设备周围较冷的环境空气中。

IC元件贴装

这种耗散是通过器件的引线框架或通过封装实现的。因此，大多数 IC 封装的设计都不会为外部散热片留出太多空间。

此外，这需要一种可以从设备中提取热量的方法。外露焊盘就是这样一种方法。为了使热性能达到最佳，请在封装内使用裸片。

这个模具应该有一个直接连接到它的EP。然后可以将这些 IC 正确安装在板上。这样一来，从封装到电路板的热传递将得到优化。

9、散热片

使用热量的目的是防止在焊接时热芯吸到周围的铜浇注中。对于很多大功率 PCB 设计，一般都使用大功率铁在内部手工焊接。即使在 2Oz 铜上，它也可以快速处理实心焊盘。我倾向于在所有非电源网络上使用散热，并在电源网络上使用牢固的连接。

显示热释放的填充平面

上图显示了放置散热片的位置。主输入电源、保险丝和输出不使用热量，其他所有网络都使用热量。这种技术在多种设计中都非常有效，生产了数百块电路板，很少遇到过焊接部件松动的问题或与冷焊点相关的任何其他问题。

10、走线厚度和宽度

在设计任何电路板时，你需要了解最小走线宽度。这在处理高功率 PCB 时变得至关重要。

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。

至于走线厚度，标准 PCB的内层典型值约为 17.5 µm (1/2 oz/ft 2 )，外层和接地层约为 35 µm (1 oz/ft 2 ) .大功率 PCB 通常使用较厚的铜来减少相同电流的走线宽度。这减少了 PCB 上走线占用的空间。

较厚的铜厚度范围为 35 至 105 µm（1 至 3 oz/ft 2），通常用于大于 10 A 的电流。较厚的铜不可避免地会产生额外的成本，但有助于节省卡上的空间，因为粘度更高，所需的轨道宽度要小得多。

走线厚度和宽度

11、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。

12、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。去耦电容充当辅助电源，在每个瞬态（电压纹波或噪声）期间为组件提供所需的电流。

选择去耦电容时需要考虑几个方面。这些因素包括选择正确的电容值、介电材料、几何形状以及电容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。

13、加倍图层

在很多大功率电路中使用过的一种技术是没有经常使用的，它是双层铜浇注并将它们与通孔缝合在一起，这种双层允许两倍数量的铜在同一区域内。对于这块板，将主电源输入上的铜从终端加倍到输入保险丝。下图显示了这一点。

当你使用此技术时，创建电流回路的机会增加，因为有一个没有返回电流可以流过的部分。我不相信在网络上使用从输入保险丝到 F3/F4 的两层，因为这是大量返回电流流过的地方。

主电源输入的双倍层特写

这种浇注的最小宽度为 460 密耳，但由于它位于顶层和底层，实际宽度是其两倍，从而使整个网络的电压降小得多。电压降越小，产生的热量就越少。

14、覆铜

无论设计哪种类型的电路板，通常会尝试为所有电源网络使用铜浇注。在处理专用的大电流设计时，所有承载高功率的网络都应该是一个倾倒的。覆铜可以显着增加可以安装在板上的铜的宽度。

在所有高电流网络上使用覆铜的布局

上图显示了电路板的高电流部分，在所有大电流网络上都使用了铜浇注。通过浇注而不是痕迹，能够大量增加铜的数量。用来帮助设计更快一点的技巧是使用 20mil 的网格并使用它来确保所有的倾倒都以 45 度角进行对称。

六、大功率PCB设计步骤

1、准备基材

在制造过程开始之前，必须彻底清洁层压板。由于大功率 PCB 设计中使用的铜线圈通常具有抗锈蚀特性，因此这种预清洁是必不可少的，这些通常由供应商完成以提供抗氧化保护。

2、电路模式的生成

在设计高功率 PCB 时，将使用两种主要技术来实现这一目标。这些技术包括：

丝网印刷——这是最优选的方法，因为它能够产生所需的电路图案。这可以归因于它能够准确地沉积在层压板的表面上。

照片成像——这是设计高功率 PCB 中使用的最古老的技术。但是，它仍然是在层压板上描绘电路迹线的常用方法。

这种技术有助于确保由预期电路组成的干光刻胶膜放置在层压板上。所得材料暴露于紫外线下。因此，光掩模上的图案被转移到层压板上。薄膜以化学方式从层压材料中去除。这使层压板具有预期的电路图案。

3、蚀刻电路图案

在设计高功率 PCB 时，这通常是通过将层压板浸入蚀刻槽中来实现的。或者，它们可以使用适当的蚀刻剂溶液进行喷涂。为了获得所需的结果，同时对两侧进行蚀刻。

4、钻孔过程

蚀刻后，下一步是钻孔。在这一步中，钻孔、焊盘和通孔被钻孔。要钻出精确的孔，你必须确保钻孔工具是高速的，在创建超小孔时使用激光钻孔方法。

5、通孔电镀

在设计大功率 PCB 时，这是一个必须非常小心和精确地处理的步骤。在钻出所需的孔后，将铜沉积在其中。

与其他电路板不同，这是大量完成并做得更厚。然后对它们进行化学镀层。结果是跨层形成电互连。

6、覆盖层或覆盖涂层的应用

在大功率设计中保护电路板的两面是必不可少的。这可以通过应用覆盖层来实现。

这一点的重要性在于提供对恶劣环境的保护。这对于高功率 PCB 至关重要，因为它们会受到温度波动的影响。这种覆盖层还可以防止刺激性化学品和溶剂。

用粘合剂支撑的聚酰亚胺薄膜是最常用的覆盖层材料，丝网印刷可以将覆盖层压印在表面上。

使用紫外线照射，实现固化。在覆盖层的层压过程中施加受控的热量和压力。覆盖层材料和覆盖层之间存在显着差异。覆盖层是一种层压薄膜，而覆盖层是指可以直接应用于基材表面的材料。

有许多因素决定了覆盖物的类型。它们包括制造过程中使用的方法、使用的材料和应用领域。这两种涂层对于增强整个组件的电气完整性都是必不可少的。

7、电气测试和验证

电路板经过了一系列电气测试，仔细检查性能等因素。你还需要使用设计规范作为阈值来评估质量。

七、大功率PCB加工

以下这些是比较基础的步骤：

打印内层

对齐图层

钻孔

镀铜

外层成像

镀铜和镀锡

最终蚀刻

应用阻焊层

应用表面光洁度

应用丝印

砧板

1、重铜电路结构

在大功率PCB设计中，使用了厚铜电路。这通常需要特殊的蚀刻技术。

一站式大功率PCB设计

这里用于编织的技术也与用于其他 PCB 的技术完全不同，使用高速电镀和差分蚀刻。

当电镀厚铜电路时，可以继续增加电路板的厚度。还可以将厚铜与单板上的标准功能混合使用。这也称为电源链路。这将转化为许多优势，包括减少的层数。电力也将得到有效分配。

这也将允许在板上合并高电流电路和控制电路。此外也提供了一个简单的电路板结构。

2、载流量和温升

估计走线可以轻松承载的最大电流。这可以通过找出一种可以估计热量上升的方法来确定。这与您应用的电流有关。

最理想的情况是达到稳定的工作温度，在这种情况下，加热速率等于冷却速率。当您=你的电路可以承受高达 100°C 的温度时，你就可以开始使用了。

3、电路板强度和生存能力

你可以从多种介电材料中进行选择。其中包括工作温度高达 130°C 的 FR4。另一种介电材料是高温聚酰亚胺，它可以在高达 250°C 的温度下工作。

更高的温度需要使用特殊材料，以使它们能够在极端条件下生存。有几种方法可用于测试和确定成品的热完整性。其中一种方法是使用热循环测试。有助于在进行 空对空热循环时检查电路的电阻。从 25°C 到 260°C 检查此循环。

增加的电阻会通过铜电路中的裂缝导致电气完整性的破坏。对于此测试，请确保使用由 32 个电镀通孔组成的链。这是因为它们被认为是电路中最薄弱的点，尤其是当它们受到热应力时。

厚铜电路通常会减少或消除这些电路板固有的故障。这是因为铜电路在由于热循环而产生的机械应力阶段会变得不可渗透。

4、热管理

热量通常在电子设备运行期间产生，必须从源头消散并辐射到外部环境。如果不这样做，则组件可能会过热，从而导致故障。

重铜有助于减少热量。它将热量从组件中传导出去，从而大大降低了故障率。使用散热器以实现热源的适当散热。散热器将同样地将热量从产生热量的来源散发出去。这是通过向环境传导和散发热量来完成的。

用铜通孔与电路板一侧的裸铜区域进行连接。经典的散热器可以粘合到铜的基面上。这是通过导热粘合剂实现的。在其他情况下，它们是铆接或螺栓连接的。

这些散热器通常由铜或铝制成，制造高功率 PCB 时会创建内置散热器。这不需要额外的组装。铜电路技术允许在电路板表面的任何部分添加厚铜散热器。