幾張圖讓你輕松了解通過PCB設(shè)計(jì)解決電源模塊散熱問題的玄機(jī)

　　電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師總想在更小電路板面積上實(shí)現(xiàn)更高的功率密度，對(duì)需要支持來自耗電量越來越高的FPGA、ASIC和微處理器等大電流負(fù)載的數(shù)據(jù)中心服務(wù)器和LTE基站來說尤其如此。為達(dá)到更高的輸出電流，多相系統(tǒng)的使用越來越多。為在更小電路板面積上達(dá)到更高的電流水平，系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師開始棄用分立電源解決方案而選擇電源模塊。這是因?yàn)?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/電源模塊">電源模塊為降低電源設(shè)計(jì)復(fù)雜性和解決與DC/DC轉(zhuǎn)換器有關(guān)的印刷電路板(PCB)布局問題提供了一種受歡迎的選擇。

　　本文討論了一種使用通孔布置來最大化雙相電源模塊散熱性能的多層PCB布局方法。其中的電源模塊可以配置為兩路20A單相輸出或者單路40A雙相輸出。使用帶通孔的示例電路板設(shè)計(jì)來給電源模塊散熱，以達(dá)到更高的功率密度，使其無需散熱器或風(fēng)扇也能工作。

　　圖1：包括兩個(gè)20A輸出的ISL8240M電路

　　那么該電源模塊如何才能實(shí)現(xiàn)如此高的功率密度?圖1電路圖中顯示的電源模塊提供僅有8.5°C/W的極低熱阻θ，這是因?yàn)槠湟r底使用了銅材料。為給電源模塊散熱，電源模塊安裝在具有直接安裝特性的高效導(dǎo)熱電路板上。該多層電路板有一個(gè)頂層走線層(電源模板安裝于其上)和利用通孔連接至頂層的兩個(gè)內(nèi)埋銅平面。該結(jié)構(gòu)有非常高的導(dǎo)熱系數(shù)(低熱阻)，使電源模塊的散熱很容易。

　　為理解這一現(xiàn)象，我們來分析一下ISL8240MEVAL4Z評(píng)估板的實(shí)現(xiàn)(圖2)。這是一個(gè)在四層電路板上支持雙路20A輸出的電源模塊評(píng)估板。

　　圖2：ISL8240MEVAL4Z電源模塊評(píng)估板

　　該電路板有四個(gè)PCB層，標(biāo)稱厚度為0.062英寸(±10%)，并且采用層疊排列，如圖3所示。

　　圖3：ISL8240M電源模塊使用的四層0.062“電路板的層疊排列

　　該P(yáng)CB主要由FR4電路板材料和銅組成，另有少量焊料、鎳和金。表1列出了主要材料的導(dǎo)熱系數(shù)。

　　SAC305*是最流行的無鉛焊料，由96.5%錫、3.0%銀和0.5%銅組成。W =瓦特，in =英寸，C =攝氏度，m =米，K =開氏度

　　我們使用式1來確定材料的熱阻。

　　式1：計(jì)算材料的熱阻

　　為確定圖3中電路板頂部銅層的熱阻，我們?nèi)°~層的厚度(t)并除以導(dǎo)熱系數(shù)與截面積之積。為計(jì)算方便，我們使用1平方英寸作為截面積，這時(shí)A=B=1英寸。銅層的厚度為2.8密耳(0.0028英寸)。這是2盎司銅沉積在1平方英寸電路板區(qū)域的厚度。系數(shù)k是銅的W/(in-°C)系數(shù)，其值等于9.因此，對(duì)于這1平方英寸2.8密耳銅的熱流，熱阻為0.0028/9=0.0003°C/W.我們可使用圖3顯示的每層尺寸和表1中的相應(yīng)k系數(shù)，來計(jì)算每層1平方英寸電路板區(qū)域的熱阻。結(jié)果如圖4所示。

　　圖4：1平方英寸電路板層的熱阻

　　從這些數(shù)字，我們可知33.4密耳(t5)層的熱阻是最高的。圖4中的所有數(shù)字顯示了從頂層至底層的這四層1平方英寸電路板的總熱阻。如果我們添加一個(gè)從電路板頂層至底層的通孔連接會(huì)怎樣?我們來分析添加該通孔連接的情況。

　　電路板使用的通孔的成孔尺寸約為12密耳(0.012英寸)。制造該通孔時(shí)先鉆一個(gè)直徑為0.014英寸的孔，然后鍍銅，這會(huì)在孔內(nèi)側(cè)增加約1密耳(0.001英寸)厚的銅壁。該電路板還使用了ENIG電鍍工藝。這在銅外表面上增加約200微英寸鎳和約5微英寸金。我們?cè)谟?jì)算中忽略這些材料，只使用銅來確定通孔的熱阻。

　　式2是計(jì)算圓柱形管熱阻的公式。

　　式2：計(jì)算圓柱形管熱阻

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

　　對(duì)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