一種卡類終端的PCB熱設(shè)計(jì)方法

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(shí)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(shí)候，終端產(chǎn)品的PCB布局是非常重要的?？梢哉f，一個(gè)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。

目前已經(jīng)可以見到很多常規(guī)的PCB布局方法，比如說：熱點(diǎn)分散;發(fā)熱器件的位置要合理;高熱耗散器件在與基板連接時(shí)應(yīng)盡能減少它們之間的熱阻;在每一層要多打孔。對PCB的熱設(shè)計(jì)也由此顯得很重要，因?yàn)樗Q定著PCB布局的好壞。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(gè)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(shí)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(shí)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(gè)挑戰(zhàn)。蘋果公司iPAD產(chǎn)品的一個(gè)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(gè)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(gè)至關(guān)重要的設(shè)計(jì)考量。

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(gè)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(shí)，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：

限定器件長邊和寬邊的熱距離相等，均為x(mm)，則把熱距離考慮在內(nèi)該器件占用的PCB面積是：

以上計(jì)算僅考慮了PCB單面散熱，實(shí)際PCB雙面都可以散熱，如果熱源器件背面沒擺放其它器件，那么背面的銅皮也可以起到散熱作用，此時(shí)的熱距離將是上面計(jì)算所得數(shù)據(jù)的一半，即：

下面計(jì)算熱源器件所占的PCB面積。

在PCB布局中，上面的計(jì)算數(shù)據(jù)往往是不可行的，因?yàn)镻CB的面積有限，如果按上面的數(shù)據(jù)進(jìn)行布局的話，PCB的面積就不夠用了，所以需要對上面的數(shù)據(jù)按一定比例壓縮，可以把上面的熱距離除2作為壓縮后的熱距離，由此計(jì)算壓縮熱距離后熱源器件所占的PCB面積如下：

熱源器件背面有器件，壓縮后所占PCB面積：S1=

熱源器件背面無器件，壓縮后所占PCB面積：S2=

表2計(jì)算了本項(xiàng)目熱源器件的布局熱距離及布局面積。

器件的熱工作可靠性分析

任何一個(gè)熱源器件能承受的最高結(jié)溫是有限的，這個(gè)最高結(jié)溫在廠家給出的datasheet內(nèi)都能查到，如果熱源器件實(shí)際工作的結(jié)溫高出了能承受的最高結(jié)溫，那么熱源器件的工作將會進(jìn)入不可靠狀態(tài)，對于這種情況，在PCB布局時(shí)就要考慮把這類器件遠(yuǎn)離其它發(fā)熱器件，周圍大面積鋪銅，所在位置正下方的內(nèi)層和底層也大面積鋪銅，以此來解決這類器件結(jié)溫過高的問題，所以計(jì)算熱源器件實(shí)際工作的結(jié)溫在PCB的熱設(shè)計(jì)中也是非常重要的。另外還需計(jì)算熱源器件相對于環(huán)境的溫升，知道了熱源器件相對于環(huán)境的溫升，就知道了哪個(gè)熱源器件溫度最高，這樣在熱布局過程就會做到心中有數(shù)。

終端產(chǎn)品熱設(shè)計(jì)算法和可靠性在項(xiàng)目中的應(yīng)用

熱源器件的功耗分析、熱源器件的熱距離布局面積計(jì)算以及熱源器件的環(huán)境溫度分析都完成后就可以開始PCB的布局了，PCB的布局需要遵循最基本的熱設(shè)計(jì)原則，如：熱點(diǎn)分散;將最高功耗和發(fā)熱最大的器件布置在散熱最佳位置;不要將發(fā)熱較高的器件放置在印制板的角落和四周邊緣;高熱耗散器件在與基板連接時(shí)應(yīng)盡能減少它們之間的熱阻等，另外還要按照上面計(jì)算的壓縮熱間距布放熱源器件，在熱源器件的壓縮熱間距內(nèi)盡量少布器件，更不能布放發(fā)熱器件，熱源器件的背面也要盡量少布器件，更不能布放發(fā)熱器件。圖1為本項(xiàng)目的最終PCB版圖，圖2為其溫度測量圖。由圖可見，本設(shè)計(jì)方法是實(shí)用的。

結(jié)語

通過功耗分析進(jìn)行PCB的熱設(shè)計(jì)是我們在項(xiàng)目的熱設(shè)計(jì)過程中探索得出的經(jīng)驗(yàn)，實(shí)踐證明降溫效果是很明顯的，有效的降低了整機(jī)的溫度，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。