高功率電子產品具有廣泛的應用，從消費品到醫療設備再到汽車。高功率電子產品的主要應用之一是工業生產。運行多個電機和其他重型機械的制造單位的電力需求是巨大的。此類高功率電子產品中使用的印刷電路板 (PCB) 有望解決過多的熱量產生和用戶安全問題。

　　設計大電流和高電壓電路所面臨的挑戰非常復雜。如果在設計中添加高速或混合信號電路，挑戰會更加嚴峻。在這種情況下，PCB制造就變得有點難以處理。因此，構建高效、高功率的 PCB 需要正確選擇基板材料、正確的元件放置、電路板布局和堆疊的戰略設計，并滿足既定的監管標準。還需要使用仿真工具評估電路的功率分布和散熱。

　　PCB 設計指南

　　通常，高功率電子元件和高載流走線會產生多余的熱量。所選PCB材料應具有高導熱率，以快速傳遞多余熱量。熱導率 K 是熱量從熱源傳遞到較冷 PCB 區域的速率。FR4 等 PCB 基板的介電材料具有非常低的 K 值，約為 0.25 W/mK。陶瓷具有更高的導熱率，是高功率設計的最佳基板材料。例如，Rogers 層壓板 – TC 系列的 K 值高達 1.44 W/mK。

　　PCB基板選擇

　　多層 PCB 的不同層中使用的基板和層壓板應具有相同的熱膨脹系數 CTE。如果電路板溫度因極熱而變化，具有相似 CTE 的層壓板將均勻膨脹或收縮，從而避免電路板發生任何機械變形。

　　對于高功率應用，所選擇的PCB基板應具有玻璃化轉變溫度，Tg值高于電子產品的最高工作溫度。建議至少有 20 °C 裕度。例如，如果產品工作溫度為170℃，則PCB基板的Tg應為190℃或以上。對于這種高溫操作條件，銅和鋁基板是優選的。Pyralux AP、Nelco N7000-2HT、FR408 和 ISOLA 370HR 等材料具有高 Tg 值。

　　元件放置

　　應優先考慮電壓轉換器或功率放大器等大功率組件，因為它們會產生大量熱量。還建議將它們的相關組件分組，以盡量減少它們的走線長度。具有高引腳數的數字 IC(如 FPGA、處理器等)會產生熱量，應放置在電路板的中心以實現均勻的熱分散。敏感電路應遠離發熱部件放置。

　　PCB 疊層和 GND 平面設計

　　PCB 疊層應包括足夠的電源層和接地層，以將敏感信號與放置在外表面上的噪聲感應電源組件隔離。電源組件最好采用單獨的接地。需要在IC電源引腳附近添加去耦電容，以避免由于有源元件同時切換而產生地彈。選擇正確的電容器值、介電材料以及適當的放置等因素對于優化 PCB 電源設計至關重要。

　　PCB布局設計

　　建議在決定高載流路徑的走線寬度時遵循 IPC -2221 標準。對于10A左右及以上的電流值，需要35-105μm的走線厚度。大電流線路應使用較寬的走線或較厚的銅，以避免因 PCB 功率損耗而導致散熱。

　　在大功率電路的布局設計中，控制電源走線的路徑至關重要。這將調節電路板上的熱量產生，并且必須使用軟件模擬進行分析。在進行大功率PCB布局設計時，需要考慮電路工作的環境溫度、功率流向順序以及散熱氣流。

　　熱管理技巧

　　高功率 PCB 設計中采用了多種熱管理技術。需要散熱器或風扇來消除有源組件的熱量。導熱墊和導熱膏將散熱器連接到有源組件上，并充當熱量捕獲單元，將多余的熱量傳遞到環境中。CPU 和 FPGA 等高引腳密度 IC 配備了風扇電路等附加冷卻技術。

　　高電流走線會在 PCB 中產生熱量。去除這些跡線上的阻焊層會暴露出銅材料，可以使用額外的焊料來增強銅材料，以增加銅的厚度，從而減少這些跡線上產生的熱量。如果產品部署在惡劣的工作環境中，為避免腐蝕，請在裸露的銅走線和焊盤上使用鍍銀飾面。

　　大接地層連接到 PCB 外部表面(頂層和底層)，以增加對環境的散熱。散熱孔可以將熱量從熱點轉移到 PCB 的其他層。高功率電路的許多元件對周圍環境都很敏感。它們的性能取決于外部大氣的熱穩定性。為此類敏感元件提供隔熱對于優化電路板性能非常重要。

　　EMI 合規設計

　　高功率電路包含開關、放大器、繼電器等元件，這些元件都是輻射源。在設計高功率應用的 PCB 時，必須遵守 FCC 標準。屏蔽電路板并將其安裝在外殼中可以顯著防止 EMI 問題。

　　高壓設計

　　在高壓電路中，建議金屬表面之間留有足夠的空間，以防止產生電弧。高壓電弧會損壞電路板及其組件。遵循 IPC-2221 和 IPC-9592B 等標準非常重要，其中包括高壓設備的間隙和爬電距離要求。

　　需要注意的是，在為高功率電子產品設計 PCB 時，人們會擔心過熱和用戶安全。結合上述技巧，為高功率電子設備構建安全的 PCB。為了增強產品的安全性，您可以添加板載溫度傳感器來提醒用戶。在高電流輸出處安裝保險絲，以保護您的產品免受可能的短路危險。