EEPW论坛

大功率 PCB 设计不仅仅是管理电压和电流，更是管理它们的乘积：功率，而功率最终绝大多数会转化为热量。同时，高功率开关电路还会产生强烈的电磁场。本文将探讨功率设计中的场效应、热生成和材料选择。

1. 高功率场效应

高功率路径（特别是高di/dt，即电流变化率高的路径）会产生强大的电磁场。这些场会耦合到附近的敏感电路上，如控制电路、门极驱动（Gate Drive）信号和温度检测电路。在理想情况下，高功率路径应与其返回路径紧密耦合（例如在相邻层上反向布线），以使其产生的场相互抵消。

大功率 PCB 设计需要考虑的一些通用问题，包括：

• 大功率路径附近是否有敏感电路？

• 在您的设计中，大功率路径是否与其回流路径紧密耦合？

• 某些系统可能存在机械结构限制，导致无法（使路径）紧密耦合。

• 电池的端子（或：接线柱）通常相距很远，且两者之间几乎没有空间允许紧密耦合。在这种情况下，请确保您有策略来保护信号免受大功率能量的干扰。

• 在大功率路径下方走信号线或电源线，会使它们面临极大的风险，容易受到来自大功率路径瞬态能量的干扰。对于栅极驱动信号或温度测量电路而言，这种情况是不可避免的。在这种情况下，应保持信号（与其回流路径）紧密耦合，并在层叠设计中使其尽可能远离大功率（路径）。

• 信号完整性 (SI) 和电源完整性 (PI) 的设计准则同样适用于大功率设计

• 随着功率/能量等级的增加，（不良）设计所导致后果的严重程度也会随之增加。
  

2. 热量生成与管理

设计中最大的敌人是热量。您必须准确识别热源：

• 高电流密度区域：电流“拐角”和导体瓶颈处。

• 大功率元件：如 FET、二极管和电阻器。
  

您必须了解设计的热限制：

• 材料玻璃化转变温度 (Tg)

• 元件最高温度：所有元件（包括无源元件）的最高工作温度。

• 冷却方式：设计是依赖自然对流（被动冷却）还是风扇（主动冷却）？
  

还需要注意的一些事项：

• 您或许能够手算出一些发热量的值，但许多情况仍需要通过IR（红外）/CFD（计算流体力学）类型的仿真来确定温升。

• 局部的发热区域会给 PCB层叠结构带来应力。

• X/Y 轴（平面）的膨胀会受到玻璃纤维布（Glass Weave）的约束。

• Z 轴（垂直方向）将承受更大的热膨胀。

• 在热循环过程中，电镀通孔(Plated Through Holes, PTH) 会产生疲劳，如果 Z 轴膨胀不受控制，（这些通孔）可能会失效。
  

3. 热机械应力与材料 (Tg)

当 PCB 受热时，它会膨胀。这对可靠性有着致命的影响。

• Z 轴膨胀 (Z-Axis Expansion)：PCB在X-Y平面（水平方向）由于有玻璃纤维布的束缚，膨胀系数(CTE)较低。但在Z轴（垂直方向），CTE要高得多。

• 过孔疲劳：当 Z 轴在热循环中反复膨胀和收缩时，会对镀通孔（PTH）的桶壁施加巨大的应力。这会导致桶壁裂纹 (Barrel Cracks)或拐角裂纹 (Corner Cracks)，最终导致过孔开路。
  

解决方案：选择正确的材料

玻璃化转变温度 (Tg)是 PCB 基材从坚硬的玻璃态转变为柔软的橡胶态的温度。

• 设计规则：必须选择Tg 高于设计最高工作温度的材料。当 PCB 接近其 Tg 时，它会软化，Z 轴膨胀会急剧增加，极易导致分层和过孔失效。
  

材料对比 ：

• 不良选择 (如标准FR-4)：
  

• Tg: 135°C

• Z轴CTE (Tg前): 70 ppm/°C

• 总膨胀 (50-260°C):4.2%
  

• 更优选择 (如高Tg材料)：
  

• Tg:200°C

• Z轴CTE (Tg前):38 ppm/°C

• 总膨胀 (50-260°C):2.2%
  

选择低Z轴膨胀和高Tg的材料，是确保高功率PCB在热循环下保持长期可靠性的关键。

4. 层叠(Stack-up) 的挑战

在高功率设计中，我们希望使用厚铜（如多层2oz）来承载电流。然而，这给需要控制阻抗的信号（如差分对）带来了巨大挑战。

阻抗由走线宽度、介电常数(Dk)和介质厚度（走线到参考平面的距离）决定。

• 问题1：如果使用厚铜（2oz）和薄介质（例如5mil）
  

• 假设在内层为了实现差分对 75Ω 或 100Ω 阻抗，计算出的走线宽度会非常细。分别为 3.237 mil 及 0.656mil。单端的更是无法实现。

• 这种宽度在 2oz 铜上是无法制造的。
  

• 
  

• 如果需要在外层（顶层或底层）实现 50Ω 阻抗，线宽需要 7.832 mil。这对于那些 pitch 比较下的器件而言又太宽了！
  

• 问题2：如果为了解决可制造性问题（线宽太小），可以加厚介质（例如 8 mil）或者增加差分对的间隙。
  

• 比如，对于 100Ω 阻抗的差分对而言，将间隙调整为 15mil，走线宽度则可调整为 4.413 mil。但 15mil 的差分对间隙对信号完整性而言并不是一个合理的值

• 增加介质厚度是一个方案。但是，这会显著增加PCB的总厚度（例如从0.089"增加到0.110"）。
  

• 连锁反应：板厚的增加会恶化钻孔的纵横比（Aspect Ratio）。
  

• 8mil 成孔（最终孔径），纵横比 0.110” / 0.008” =13.75

• 10mil 成孔（最终孔径），纵横比 0.110” / 0.010” =11

• 12mil 成孔（最终孔径），纵横比 0.110” / 0.012” =9.17

• 高纵横比的孔非常难以电镀均匀，增加了过孔失效的风险。
  

结论：大功率PCB的叠层设计充满了权衡。您必须在载流能力（厚铜）、信号完整性（阻抗控制）、可制造性（走线宽度）和可靠性（钻孔纵横比）之间找到一个可接受的平衡点。