解決電源模塊散熱問題的PCB設(shè)計

式2是計算圓柱形管熱阻的公式。

式2：計算圓柱形管熱阻

變量l是圓柱形管的長度，k是導(dǎo)熱系數(shù)，r1是較大半徑，r0是較小半徑。

對12密耳(直徑)成孔使用該式，我們有r0=6密耳(0.006英寸)、r1=7密耳(0.007英寸)和K=9(鍍銅)。

圖5：12密耳通孔的表面尺寸

變量l是通孔的長度(從頂面銅層到底面銅層)。電路板上焊接電源模塊的地方?jīng)]有阻焊層，但對其他區(qū)域，PCB設(shè)計工程師可能要求在每個通孔的頂部放置阻焊層，否則通孔上面的區(qū)域會空缺。由于通孔只連接外銅層，所以其長度為63.4密耳(0.0634英寸)?？偼组L度本身的熱阻是167°C/W，如式3所示。

式3：計算一個通孔(12密耳)的熱阻

圖6列出了連接電路板各層的每段通孔的熱阻。

圖6：連接電路板各層的通孔段的熱阻

請注意，這些值只是一個通孔本身的熱阻，并未考慮穿過電路板的每一段與圍繞它的材料是橫向連接的。

如果我們分析圖4中各個電路板層的熱阻值，并將它們與一個通孔的熱阻值進行比較，似乎該通孔的熱阻比每層的熱阻高很多，但是請注意，一個通孔只占1平方英寸電路板區(qū)域的1/5000不到。如果我們決定比較更小的電路板區(qū)域，比如0.25英寸x0.25英寸(這是前面電路板區(qū)域的1/16)，則圖4中的每個熱阻值將增加到原來的16倍。例如，t4和33.4密耳厚FR4層的熱阻會從5.21875°C/W增加至83.5°C/W。僅對該0.25英寸x0.25英寸區(qū)域添加一個通孔就會使穿過該33.4密耳FR4層的熱阻減少近一半(83.5°C/W和90.91°C/W)。0.25英寸x0.25英寸方塊的面積是一個通孔的面積的約400倍。那么如果在該區(qū)域布置16個通孔會怎樣?與一個通孔相比，所有平行通孔的有效熱阻將減小16倍。圖7比較了各個0.25英寸x0.25英寸電路板層與16個通孔的熱阻。0.25英寸x0.25英寸電路板的33.4密耳厚FR4層的熱阻為83.5°C/W。16個平行通孔具有5.6821°C/W的等效熱阻。

這16個通孔只占0.25英寸x0.25英寸電路板區(qū)域面積的不到1/25，但可顯著減小從頂面到低層的熱阻連接。

圖7：熱阻值比較

請注意，當(dāng)熱向下流過通孔并達到另一層時，特別是另一個銅層時，其將橫向擴散到該材料層。添加越來越多通孔最終會降低效果，因為從一個通孔橫向擴散到附近材料的熱最終會與來自另一個方向(源自從另一通孔)的熱相遇。ISL8240MEVAL4Z評估板的尺寸是3英寸x4英寸。電路板上的頂層和底層有2盎司銅，還有兩個內(nèi)層各包含2盎司銅。為使這些銅層發(fā)揮作用，電路板有917個12密耳直徑的通孔，它們?nèi)加兄趯釓碾娫茨K擴散到下面的銅層。

結(jié)束語

為適應(yīng)電壓軌數(shù)目的增多和更高性能的微處理器和FPGA，諸如ISL8240M電源模塊等先進的電源管理解決方案，通過提供更大功率密度和更小功耗來幫助提高效率。通孔在電源模塊電路板設(shè)計中的最優(yōu)實現(xiàn)，已成為實現(xiàn)更高功率密度的一個越來越重要的因素。