幾張圖讓你輕松了解通過(guò)PCB設計解決電源模塊散熱問(wèn)題的玄機

　　電源系統設計工程師總想在更小電路板面積上實(shí)現更高的功率密度，對需要支持來(lái)自耗電量越來(lái)越高的FPGA、ASIC和微處理器等大電流負載的數據中心服務(wù)器和LTE基站來(lái)說(shuō)尤其如此。為達到更高的輸出電流，多相系統的使用越來(lái)越多。為在更小電路板面積上達到更高的電流水平，系統設計工程師開(kāi)始棄用分立電源解決方案而選擇電源模塊。這是因為電源模塊為降低電源設計復雜性和解決與DC/DC轉換器有關(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計來(lái)給電源模塊散熱，以達到更高的功率密度，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，這是因為其襯底使用了銅材料。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熱電路板上。該多層電路板有一個(gè)頂層走線(xiàn)層(電源模板安裝于其上)和利用通孔連接至頂層的兩個(gè)內埋銅平面。該結構有非常高的導熱系數(低熱阻)，使電源模塊的散熱很容易。

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

　　圖2：ISL8240MEVAL4Z電源模塊評估板

　　該電路板有四個(gè)PCB層，標稱(chēng)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PCB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熱系數。

　　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：計算材料的熱阻

　　為確定圖3中電路板頂部銅層的熱阻，我們取銅層的厚度(t)并除以導熱系數與截面積之積。為計算方便，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平方英寸電路板區域的厚度。系數k是銅的W/(in-°C)系數，其值等于9.因此，對于這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k系數，來(lái)計算每層1平方英寸電路板區域的熱阻。結果如圖4所示。

　　圖4：1平方英寸電路板層的熱阻

　　從這些數字，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 )在孔內側增加約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。我們在計算中忽略這些材料，只使用銅來(lái)確定通孔的熱阻。

　　式2是計算圓柱形管熱阻的公式。

　　式2：計算圓柱形管熱阻

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

　　對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