高功率电子产品具有广泛的应用
，从消费品到医疗设备再到汽车
。高功率电子产品的主要应用之一是工业生产。运行多个电机和其他重型机械的制造单位的电力需求是巨大的。此类高功率电子产品中使用的印刷电路板 (PCB) 有望解决过多的热量产生和用户安全问题

。

　　设计大电流和高电压电路所面临的挑战非常复杂


。如果在设计中添加高速或混合信号电路，挑战会更加严峻
。在这种情况下
，PCB制造就变得有点难以处理

。因此，构建高效
、高功率的 PCB 需要正确选择基板材料、正确的元件放置、电路板布局和堆叠的战略设计，并满足既定的监管标准。还需要使用仿真工具评估电路的功率分布和散热
。

　　PCB 设计指南

　　通常，高功率电子元件和高载流走线会产生多余的热量
。所选PCB材料应具有高导热率
，以快速传递多余热量
。热导率 K 是热量从热源传递到较冷 PCB 区域的速率。FR4 等 PCB 基板的介电材料具有非常低的 K 值
，约为 0.25 W/mK
。陶瓷具有更高的导热率，是高功率设计的最佳基板材料
。例如，Rogers 层压板 – TC 系列的 K 值高达 1.44 W/mK
。

　　PCB基板选择

　　多层 PCB 的不同层中使用的基板和层压板应具有相同的热膨胀系数 CTE。如果电路板温度因极热而变化
，具有相似 CTE 的层压板将均匀膨胀或收缩，从而避免电路板发生任何机械变形。

　　对于高功率应用
，所选择的PCB基板应具有玻璃化转变温度
，Tg值高于电子产品的最高工作温度
。建议至少有 20 °C 裕度。例如，如果产品工作温度为170℃
，则PCB基板的Tg应为190℃或以上。对于这种高温操作条件
，铜和铝基板是优选的。Pyralux AP、Nelco N7000-2HT、FR408 和 ISOLA 370HR 等材料具有高 Tg 值
。

　　元件放置

　　应优先考虑电压转换器或功率放大器等大功率组件

，因为它们会产生大量热量。还建议将它们的相关组件分组，以尽量减少它们的走线长度
。具有高引脚数的数字 IC(如 FPGA

、处理器等)会产生热量，应放置在电路板的中心以实现均匀的热分散。敏感电路应远离发热部件放置。

　　PCB 叠层和 GND 平面设计

　　PCB 叠层应包括足够的电源层和接地层，以将敏感信号与放置在外表面上的噪声感应电源组件隔离。电源组件最好采用单独的接地。需要在IC电源引脚附近添加去耦电容


，以避免由于有源元件同时切换而产生地弹。选择正确的电容器值、介电材料以及适当的放置等因素对于优化 PCB 电源设计至关重要。

　　PCB布局设计

　　建议在决定高载流路径的走线宽度时遵循 IPC -2221 标准。对于10A左右及以上的电流值
，需要35-105μm的走线厚度
。大电流线路应使用较宽的走线或较厚的铜
，以避免因 PCB 功率损耗而导致散热。

　　在大功率电路的布局设计中，控制电源走线的路径至关重要
。这将调节电路板上的热量产生，并且必须使用软件模拟进行分析
。在进行大功率PCB布局设计时
，需要考虑电路工作的环境温度、功率流向顺序以及散热气流
。

　　热管理技巧

　　高功率 PCB 设计中采用了多种热管理技术。需要散热器或风扇来消除有源组件的热量
。导热垫和导热膏将散热器连接到有源组件上，并充当热量捕获单元，将多余的热量传递到环境中
。CPU 和 FPGA 等高引脚密度 IC 配备了风扇电路等附加冷却技术。

　　高电流走线会在 PCB 中产生热量
。去除这些迹线上的阻焊层会暴露出铜材料
，可以使用额外的焊料来增强铜材料
，以增加铜的厚度，从而减少这些迹线上产生的热量
。如果产品部署在恶劣的工作环境中，为避免腐蚀，请在裸露的铜走线和焊盘上使用镀银饰面

。

　　大接地层连接到 PCB 外部表面(顶层和底层)，以增加对环境的散热。散热孔可以将热量从热点转移到 PCB 的其他层
。高功率电路的许多元件对周围环境都很敏感
。它们的性能取决于外部大气的热稳定性
。为此类敏感元件提供隔热对于优化电路板性能非常重要
。

　　EMI 合规设计

　　高功率电路包含开关、放大器

、继电器等元件，这些元件都是辐射源。在设计高功率应用的 PCB 时，必须遵守 FCC 标准。屏蔽电路板并将其安装在外壳中可以显着防止 EMI 问题。

　　高压设计

　　在高压电路中，建议金属表面之间留有足够的空间
，以防止产生电弧
。高压电弧会损坏电路板及其组件。遵循 IPC-2221 和 IPC-9592B 等标准非常重要，其中包括高压设备的间隙和爬电距离要求
。

　　需要注意的是，在为高功率电子产品设计 PCB 时，人们会担心过热和用户安全。结合上述技巧，为高功率电子设备构建安全的 PCB
。为了增强产品的安全性
，您可以添加板载温度传感器来提醒用户。在高电流输出处安装保险丝，以保护您的产品免受可能的短路危险
。