利用CFD建模方法進(jìn)行PCB熱設計應用

由于多相位穩壓器應用要求的功率等級越來(lái)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(xiàn)設計已經(jīng)成為穩壓器熱設計的重要組成部分。PCB板可以幫助散發(fā)穩壓器產(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。設計良好的走線(xiàn)可以通過(guò)增強MOSFET和IC周?chē)挠行釋蕘?lái)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(xiàn)。因此為了滿(mǎn)足上述目標，必須在設計階段對穩壓器周?chē)?a class="contentlabel" href="http://dyxdggzs.com/news/listbylabel/label/PCB">PCB熱導率變化及其對穩壓器熱性能的影響進(jìn)行*估和調整。

常見(jiàn)的熱分析方法是根據銅層的數量、厚度和覆蓋百分比及電路板總厚度計算整個(gè)電路板的有效并行和正常導熱率的平均值，然后利用平均并行和正常熱導率計算電路板的熱傳導。然而在必須考慮電路板熱導率局部變化的場(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率的局部變化。除了計算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)功能外，該軟件工具還把電路板的走線(xiàn)和過(guò)孔情況考慮進(jìn)去，進(jìn)而計算整個(gè)電路板上的熱導率分布。這個(gè)特性使得Icepak非常適用于以下研究工作。

原始設計和模型驗證

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

為了檢查熱導率分布情況，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。計算結果如圖1b所示。

在圖1b中，高溫代表了低的熱導率，低溫代表了高的熱導率。從圖中可以看出，在沒(méi)有走線(xiàn)的區域溫度較高，在走線(xiàn)較多的區域溫度較低。在有大過(guò)孔的區域，溫度接近45℃。

這表明熱導率分布與原始設計中的走線(xiàn)分布是一致的。為了獲得小孔的局部效應，應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坐標方向的熱導率，一般情況下它們具有不同的值。

在該模型中，穩壓器元件和走線(xiàn)的功率損失如表1所示。這些功率損失值在前述測試中得到了驗證。

1U應用模型如圖2a所示，其中的電路板上方存在著(zhù)空氣流動(dòng)。環(huán)境溫度為25℃，內部空氣流速為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壓器中的MOSFET。

當把每個(gè)關(guān)鍵元件組的最大溫度的仿真結果與測試結果對比時(shí)，我們發(fā)現它們具有很好的一致性。

減少電路板走線(xiàn)

原始PCB設計具有相對較大的走線(xiàn)覆蓋率，目的是為了增加電路板中的熱量散發(fā)，從而降低穩壓器溫度。然而在有些情況下，為了降低成本，要減少走線(xiàn)覆蓋率，并且不使用散熱器。因此，會(huì )對走線(xiàn)進(jìn)行修改，然后用驗證模型用來(lái)預測穩壓器的溫度。

圖1a：輸入原始設計的走線(xiàn)。

圖1b：原始設計中，在均勻熱流時(shí)PCB上表面的溫度分布情況。