一種手機(jī)與卡類終端的PCB熱設(shè)計(jì)方法

　　摘要：針對市場上手機(jī)與卡類終端平臺的功耗導(dǎo)致熱增多的問題，本文介紹了一種簡單實(shí)用的PCB布局熱設(shè)計(jì)方法。該方法可以實(shí)現(xiàn)PCB良好的熱布局，同時提高了產(chǎn)品的可靠性和用戶體驗(yàn)。

　　關(guān)鍵詞：功耗;PCB布局;熱設(shè)計(jì)

　　概述

　　隨著3G/4G網(wǎng)絡(luò)的部署和在用戶終端上集成的功能應(yīng)用越來越多，雖然終端平臺廠家利用更高的工藝和算法來降低功耗，但是終端平臺的功耗卻一直呈現(xiàn)上升的趨勢。我們做過的幾款終端產(chǎn)品功耗甚至已經(jīng)接近了4W，隨著功耗的增加除了部分能量輻射到空中后，大部分的能量以熱的形式散發(fā)出去，同時用戶終端要求外形是越來小巧，與市面上的U盤的體積已經(jīng)非常的接近，在這么小體積內(nèi)要耗散這么大的功耗，結(jié)構(gòu)件的表面溫度是非常高的，已經(jīng)嚴(yán)重影響了用戶的體驗(yàn)甚至影響到了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，因此在設(shè)計(jì)的時候，終端產(chǎn)品的PCB布局是非常重要的。可以說，一個良好的熱布局意味著良好的系統(tǒng)性能和用戶體驗(yàn)，也是產(chǎn)品能否通過歐美高端運(yùn)營商測試的非常重要的因素。

　　PCB布局遵循的常規(guī)方法很多，如：熱點(diǎn)分散;將發(fā)熱最大的器件布置在散熱最佳位置;高熱耗散器件在與基板連接時應(yīng)盡能減少它們之間的熱阻;PCB的每一層要大量鋪銅且多打通孔等。而在進(jìn)行PCB布局前，對PCB的熱設(shè)計(jì)至關(guān)重要。本文介紹了一種根據(jù)熱源器件的功耗分析進(jìn)行PCB熱設(shè)計(jì)的方法，該方法簡單實(shí)用，在多個項(xiàng)目中都得到了使用，其效果良好。這種方法進(jìn)行PCB的熱設(shè)計(jì)分如下4步進(jìn)行。

　　第一步：估算發(fā)熱器件的功耗。

　　第二步：根據(jù)發(fā)熱器件的功耗計(jì)算發(fā)熱器件周圍多大范圍內(nèi)不能有其它發(fā)熱器件。

　　第三步：根據(jù)發(fā)熱器件的功耗計(jì)算發(fā)熱器件的實(shí)際工作結(jié)溫以及相對環(huán)境的溫升有多大。

　　第四步：根據(jù)第二步和第三步的數(shù)據(jù)進(jìn)行PCB的熱設(shè)計(jì)。

　　市場上卡類終端的功耗現(xiàn)狀和面臨的挑戰(zhàn)

　　隨著LTE無線網(wǎng)絡(luò)的部署，下行的數(shù)據(jù)速率已經(jīng)達(dá)到并超過了1Gbps，要處理這么高的數(shù)據(jù)速率，數(shù)據(jù)終端必需要很高的數(shù)據(jù)處理能力，同時必然帶來功耗的增加。而我們正在研發(fā)的幾款產(chǎn)品均出現(xiàn)了熱的問題，有幾款樣機(jī)在大速率數(shù)據(jù)傳輸時甚至在幾分鐘內(nèi)就出現(xiàn)系統(tǒng)崩潰的現(xiàn)象，而這些問題的根源就是發(fā)熱，熱設(shè)計(jì)已經(jīng)成為了卡類終端的一個挑戰(zhàn)。蘋果公司iPAD產(chǎn)品的一個實(shí)例，大量用戶反饋其產(chǎn)品在較高環(huán)境下出現(xiàn)問題，這從側(cè)面反映了熱設(shè)計(jì)對于終端產(chǎn)品的重要性。功耗熱已經(jīng)成為了工程師在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的初期需要認(rèn)真考慮的一個關(guān)鍵問題。

　　終端平臺的熱源器件主要有基帶芯片、射頻芯片、功放、電源管理芯片等，這些器件的功耗有的可以從廠商給的datasheet中查到，有的查不到，對于從datasheet中查不到功耗數(shù)據(jù)的熱源器件，需要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或同類項(xiàng)目的測試數(shù)據(jù)進(jìn)行估算，還可以直接向平臺提供商索取相關(guān)數(shù)據(jù)。表1為某項(xiàng)目主要熱功耗器件的功耗評估結(jié)果。

　　從表1的數(shù)據(jù)中我們可以看到一款數(shù)據(jù)卡的功耗已經(jīng)接近了4W，要想在U盤大小的結(jié)構(gòu)件內(nèi)耗散這么大的熱量，PCB的熱設(shè)計(jì)可以說已經(jīng)成了產(chǎn)品能否可靠工作的一個至關(guān)重要的設(shè)計(jì)考量。

　　卡類終端產(chǎn)品的一種熱布局算法

　　自然對流冷卻的熱流密度經(jīng)驗(yàn)值是0.8mW/mm2，即當(dāng)每平方毫米的面積上分布的功率是0.8mW時，可以產(chǎn)生很好的自然對流冷卻效果。熱源器件的熱距離的計(jì)算是基于此經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行的。計(jì)算方法如下：

　　設(shè)某芯片的長是L(mm)，寬是W(mm)，該器件的功耗是Pd(mW)。

　　要達(dá)到自然對流冷卻效果，該器件應(yīng)占用的PCB面積是：