解決電源模塊散熱問(wèn)題的PCB設(shè)計(jì)

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(lái)自耗電量越來(lái)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(lái)說(shuō)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(lái)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(kāi)始棄用分立電源解決方案而選擇電源模塊。這是因?yàn)殡娫茨K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(wèn)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(lái)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(lái)給電源模塊散熱，以達(dá)到更高的功率密度，使其無(wú)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(lái)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(wú)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(kāi)氏度

我們使用式1 來(lái)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(lái)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(lái)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(lái)確定通孔的熱阻。[!--empirenews.page--]

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

變量l是通孔的長(zhǎng)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(duì)其他區(qū)域，PCB設(shè)計(jì)工程師可能要求在每個(gè)通孔的頂部放置阻焊層，否則通孔上面的區(qū)域會(huì)空缺。由于通孔只連接外銅層，所以其長(zhǎng)度為63.4密耳(0.0634英寸)?？偼组L(zhǎng)度本身的熱阻是167°C/W，如式3所示。

式3：計(jì)算一個(gè)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(qǐng)注意，這些值只是一個(gè)通孔本身的熱阻，并未考慮穿過(guò)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(gè)電路板層的熱阻值，并將它們與一個(gè)通孔的熱阻值進(jìn)行比較，似乎該通孔的熱阻比每層的熱阻高很多，但是請(qǐng)注意，一個(gè)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(gè)熱阻值將增加到原來(lái)的16倍。例如，t4和33.4密耳厚FR4層的熱阻會(huì)從5.21875°C/W增加至83.5°C/W。僅對(duì)該0.25英寸x0.25英寸區(qū)域添加一個(gè)通孔就會(huì)使穿過(guò)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(gè)通孔的面積的約400倍。那么如果在該區(qū)域布置16個(gè)通孔會(huì)怎樣?與一個(gè)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(gè)0.25英寸x0.25英寸電路板層與16個(gè)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(gè)平行通孔具有5.6821°C/W的等效熱阻。

這16個(gè)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(qǐng)注意，當(dāng)熱向下流過(guò)通孔并達(dá)到另一層時(shí)，特別是另一個(gè)銅層時(shí)，其將橫向擴(kuò)散到該材料層。添加越來(lái)越多通孔最終會(huì)降低效果，因?yàn)閺囊粋€(gè)通孔橫向擴(kuò)散到附近材料的熱最終會(huì)與來(lái)自另一個(gè)方向(源自從另一通孔)的熱相遇。ISL8240MEVAL4Z評(píng)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(gè)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(gè)12密耳直徑的通孔，它們?nèi)加兄趯釓碾娫茨K擴(kuò)散到下面的銅層。

結(jié)束語(yǔ)

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(jìn)的電源管理解決方案，通過(guò)提供更大功率密度和更小功耗來(lái)幫助提高效率。通孔在電源模塊電路板設(shè)計(jì)中的最優(yōu)實(shí)現(xiàn)，已成為實(shí)現(xiàn)更高功率密度的一個(gè)越來(lái)越重要的因素。