利用CFD建模方法進(jìn)行PCB熱設(shè)計(jì)應(yīng)用

由于多相位穩(wěn)壓器應(yīng)用要求的功率等級(jí)越來越高，同時(shí)可用的電路板面積又在不斷減小，PCB電路板走線設(shè)計(jì)已經(jīng)成為穩(wěn)壓器熱設(shè)計(jì)的重要組成部分。PCB板可以幫助散發(fā)穩(wěn)壓器產(chǎn)生的大部分熱量，而且在許多情況下這是唯一的散熱方式。設(shè)計(jì)良好的走線可以通過增強(qiáng)MOSFET和IC周圍的有效熱導(dǎo)率來改善電路板的熱性能。

另外一方面，為了降低成本，又需要減少不必要的走線。因此為了滿足上述目標(biāo)，必須在設(shè)計(jì)階段對(duì)穩(wěn)壓器周圍的PCB熱導(dǎo)率變化及其對(duì)穩(wěn)壓器熱性能的影響進(jìn)行*估和調(diào)整。

常見的熱分析方法是根據(jù)銅層的數(shù)量、厚度和覆蓋百分比及電路板總厚度計(jì)算整個(gè)電路板的有效并行和正常導(dǎo)熱率的平均值，然后利用平均并行和正常熱導(dǎo)率計(jì)算電路板的熱傳導(dǎo)。然而在必須考慮電路板熱導(dǎo)率局部變化的場(chǎng)合，這種方法并不合適。

Icepak是一種熱建模的軟件工具，可以用于研究電路板中熱導(dǎo)率的局部變化。除了計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)功能外，該軟件工具還把電路板的走線和過孔情況考慮進(jìn)去，進(jìn)而計(jì)算整個(gè)電路板上的熱導(dǎo)率分布。這個(gè)特性使得Icepak非常適用于以下研究工作。

原始設(shè)計(jì)和模型驗(yàn)證

Icepak模型是根據(jù)1U服務(wù)器應(yīng)用中的ECAD文件創(chuàng)建的。原始電路板的走線和過孔信息被導(dǎo)入到模型中(圖1a)。

為了檢查熱導(dǎo)率分布情況，可以將45℃恒溫邊界條件指配給PCB板的背面，同時(shí)將均勻的熱流量邊界條件指配給其頂部。計(jì)算結(jié)果如圖1b所示。

在圖1b中，高溫代表了低的熱導(dǎo)率，低溫代表了高的熱導(dǎo)率。從圖中可以看出，在沒有走線的區(qū)域溫度較高，在走線較多的區(qū)域溫度較低。在有大過孔的區(qū)域，溫度接近45℃。

這表明熱導(dǎo)率分布與原始設(shè)計(jì)中的走線分布是一致的。為了獲得小孔的局部效應(yīng)，應(yīng)該使用較小的背景柵格尺寸。

在本例中，背景柵格尺寸為1×1mm。每個(gè)柵格包含一個(gè)電路板單元，該單元具有自己的X、Y和Z坐標(biāo)方向的熱導(dǎo)率，一般情況下它們具有不同的值。

在該模型中，穩(wěn)壓器元件和走線的功率損失如表1所示。這些功率損失值在前述測(cè)試中得到了驗(yàn)證。

1U應(yīng)用模型如圖2a所示，其中的電路板上方存在著空氣流動(dòng)。環(huán)境溫度為25℃，內(nèi)部空氣流速為400LFM。圖2b給出了電路板上表面和元件的溫度。具有較高溫度的元件是穩(wěn)壓器中的MOSFET。

當(dāng)把每個(gè)關(guān)鍵元件組的最大溫度的仿真結(jié)果與測(cè)試結(jié)果對(duì)比時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)它們具有很好的一致性。

減少電路板走線

原始PCB設(shè)計(jì)具有相對(duì)較大的走線覆蓋率，目的是為了增加電路板中的熱量散發(fā)，從而降低穩(wěn)壓器溫度。然而在有些情況下，為了降低成本，要減少走線覆蓋率，并且不使用散熱器。因此，會(huì)對(duì)走線進(jìn)行修改，然后用驗(yàn)證模型用來預(yù)測(cè)穩(wěn)壓器的溫度。

圖1a：輸入原始設(shè)計(jì)的走線。

圖1b：原始設(shè)計(jì)中，在均勻熱流時(shí)PCB上表面的溫度分布情況。