手機與卡類(lèi)終端的PCB熱設計方法

PCB布局遵循的常規方法很多，如：熱點(diǎn)分散;將發(fā)熱最大的器件布置在散熱最佳位置;高熱耗散器件在與基板連接時(shí)應盡能減少它們之間的熱阻;PCB的每一層要大量鋪銅且多打通孔等。而在進(jìn)行PCB布局前，對PCB的熱設計至關(guān)重要。

市場(chǎng)上卡類(lèi)終端的功耗現狀和面臨的挑戰

隨著(zhù)LTE無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的部署，下行的數據速率已經(jīng)達到并超過(guò)了1Gbps，要處理這么高的數據速率，數據終端必需要很高的數據處理能力，同時(shí)必然帶來(lái)功耗的增加。而我們正在研發(fā)的幾款產(chǎn)品均出現了熱的問(wèn)題，有幾款樣機在大速率數據傳輸時(shí)甚至在幾分鐘內就出現系統崩潰的現象，而這些問(wèn)題的根源就是發(fā)熱，熱設計已經(jīng)成為了卡類(lèi)終端的一個(gè)挑戰。蘋(píng)果公司iPAD產(chǎn)品的一個(gè)實(shí)例，大量用戶(hù)反饋其產(chǎn)品在較高環(huán)境下出現問(wèn)題，這從側面反映了熱設計對于終端產(chǎn)品的重要性。功耗熱已經(jīng)成為了工程師在產(chǎn)品設計的初期需要認真考慮的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)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(chǎng)商給的datasheet中查到，有的查不到，對于從datasheet中查不到功耗數據的熱源器件，需要根據經(jīng)驗或同類(lèi)項目的測試數據進(jìn)行估算，還可以直接向平臺提供商索取相關(guān)數據。表1為某項目主要熱功耗器件的功耗評估結果。

從表1的數據中我們可以看到一款數據卡的功耗已經(jīng)接近了4W，要想在U盤(pán)大小的結構件內耗散這么大的熱量，PCB的熱設計可以說(shuō)已經(jīng)成了產(chǎn)品能否可靠工作的一個(gè)至關(guān)重要的設計考量。

卡類(lèi)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)驗值是0.8mW/mm2，即當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算是基于此經(jīng)驗值進(jìn)行的。計算方法如下：

設某芯片的長(cháng)是L(mm)，寬是W(mm)，該器件的功耗是Pd(mW)。

要達到自然對流冷卻效果，該器件應占用的PCB面積是：

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

以上計算僅考慮了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(méi)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算所得數據的一半，下面計算熱源器件所占的PCB面積。

在PCB布局中，上面的計算數據往往是不可行的，因為PCB的面積有限，如果按上面的數據進(jìn)行布局的話(huà)，PCB的面積就不夠用了，所以需要對上面的數據按一定比例壓縮，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=（L+x）(W+X)

熱源器件背面無(wú)器件，壓縮后所占PCB面積：S2=（L+y）(W+y)。表2計算了本項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溫是有限的，這個(gè)最高結溫在廠(chǎng)家給出的datasheet內都能查到，如果熱源器件實(shí)際工作的結溫高出了能承受的最高結溫，那么熱源器件的工作將會(huì )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(lèi)器件遠離其它發(fā)熱器件，周?chē)竺娣e鋪銅，所在位置正下方的內層和底層也大面積鋪銅，以此來(lái)解決這類(lèi)器件結溫過(guò)高的問(wèn)題，所以計算熱源器件實(shí)際工作的結溫在PCB的熱設計中也是非常重要的。另外還需計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(guò)程就會(huì )做到心中有數。

終端產(chǎn)品熱設計算法和可靠性在項目中的應用

熱源器件的功耗分析、熱源器件的熱距離布局面積計算以及熱源器件的環(huán)境溫度分析都完成后就可以開(kāi)始PCB的布局了，PCB的布局需要遵循最基本的熱設計原則，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)應盡能減少它們之間的熱阻等，另外還要按照上面計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為本項目的最終PCB版圖，圖2為其溫度測量圖。由圖可見(jiàn)，本設計方法是實(shí)用的。