Diseño electrónico - Solución de diseño de disipación de calor del módulo de energía PCB

Los ingenieros de diseño de sistemas eléctricos siempre han querido lograr una mayor densidad de potencia en áreas de placas de circuito más pequeñas, así como servidores de centros de datos y estaciones base LTE que necesitan soportar cargas de alta corriente de fpgas, asic y microprocesadores, que consumen cada vez más potencia. esto es especialmente cierto. Para lograr una mayor corriente de salida, el uso de sistemas multifásico está aumentando. Para lograr un mayor nivel de corriente en un área más pequeña de la placa de circuito, los ingenieros de diseño del sistema comenzaron a abandonar las soluciones de fuente de alimentación discreta y elegir módulos de fuente de alimentación. Esto se debe a que el módulo de alimentación ofrece una opción popular para reducir la complejidad del diseño de la fuente de alimentación y resolver los problemas de diseño de PCB relacionados con el convertidor DC / DC.

Este artículo discute un método de diseño de PCB de varias capas, que utiliza el diseño de agujeros a través para maximizar el rendimiento de disipación de calor del módulo de Potencia bifásico. El módulo de alimentación se puede configurar como una salida de una sola fase de doble canal 20a o una salida de dos fases de un solo canal 40a. El PCB de muestra con agujeros a través está diseñado para disipar el calor del módulo de alimentación para lograr una mayor densidad de potencia, lo que le permite trabajar sin radiadores ni ventiladores.

¿Entonces, ¿ cómo logra este módulo de potencia una densidad de potencia tan alta? Debido al uso del cobre como sustrato, la resistencia térmica proporcionada por el módulo de alimentación mostrado en la figura 1 es extremadamente baja, solo 8,5 ° C / W. Para disipar el calor del módulo de potencia, el módulo de potencia se instala en una placa de circuito de conducción térmica de alta eficiencia con características de instalación directa.

La placa de circuito multicapa tiene una capa superior de cableado (con una plantilla de alimentación instalada en ella) y dos planos de cobre enterrados conectados a la capa superior a través de agujeros. Esta estructura tiene una conductividad térmica muy alta (baja resistencia térmica), lo que facilita la disipación de calor del módulo de potencia.

Para determinar la resistencia térmica de la capa de cobre en la parte superior del pcb, tomamos el grosor de la capa de cobre (t) y la dividimos por el producto de la conductividad térmica y el área transversal. Para facilitar el cálculo, utilizamos 1 pulgada cuadrada como área transversal, en este momento a = B = 1 pulgada. El espesor de la capa de cobre es de 2,8 mils (00028 pulgadas). Este es el grosor de 2 onzas de cobre depositadas en un área de placa de circuito de 1 pulgada cuadrada. El coeficiente k es el coeficiente W / (in - ° c) del cobre, cuyo valor es igual a 9. Por lo tanto, para este flujo de calor de cobre de 2,8 milímetros de una pulgada cuadrada, la resistencia térmica es de 00028 / 9 = 00003 ° C / W.

A partir de estas imágenes, sabemos que la resistencia térmica de la capa de 33,4 milímetros (t5) es la más alta. Todos los números de la figura 4 muestran la resistencia térmica total de cuatro capas de placas de circuito de 1 pulgada cuadrada desde la parte superior hasta la parte inferior. ¿¿ qué pasa si agregamos una conexión a través del agujero desde la parte superior del PCB hasta la parte inferior del pcb? Analicemos la adición de esta conexión a través del agujero.

El tamaño del agujero del agujero utilizado en la placa de circuito es de aproximadamente 12 mils (0012 pulgadas). Al hacer el agujero a través, primero se perfora un agujero de 0014 pulgadas de diámetro y luego se Chapada en cobre. Esto agregará aproximadamente 1 milímetro (0001 pulgadas) de cobre al interior del agujero. La placa de circuito también utiliza el proceso de galvanoplastia enig. Esto añade alrededor de 200 pulgadas de níquel y alrededor de 5 pulgadas de oro a la superficie exterior del cobre. Ignoramos estos materiales en nuestros cálculos y solo utilizamos cobre para determinar la resistencia térmica a través del agujero.

Para los agujeros de 12 orejas (diámetro), utilizando esta fórmula, obtenemos R0 = 6 orejas (0006 pulgadas), R1 = 7 orejas (0002 pulgadas) y k = 9 (chapado en cobre).

La variable l es la longitud del agujero (desde la capa de cobre superior hasta la capa de cobre inferior). No hay máscaras de soldadura en la placa de circuito para soldar el módulo de alimentación, pero para otras áreas, el ingeniero de diseño de PCB puede necesitar instalar máscaras de soldadura en la parte superior de cada agujero a través. de lo contrario, el área por encima del agujero a través estará vacía. Debido a que el agujero cruzado solo está conectado a la capa exterior de cobre, su longitud es de 63,4 milímetros (00634 pulgadas). La resistencia térmica de la longitud total del agujero en sí es de 167 ° C / W.

Tenga en cuenta que cuando el calor fluye hacia abajo a través del agujero y llega a otra capa, especialmente a otra de cobre, se extenderá lateralmente a la capa de material. Aumentar cada vez más a través de los agujeros eventualmente reducirá este impacto, ya que el calor que se propaga lateralmente de un agujero a un material cercano eventualmente encontrará calor de otra dirección (de otro agujero). El tamaño del tablero de evaluación isl8240meval4z es de 3 pulgadas por 4 pulgadas. La parte superior e inferior de la placa de circuito contiene 2 onzas de cobre, y las dos capas interiores contienen 2 onzas de cobre cada una. Para que estas capas de cobre funcionen, la placa de circuito tiene 917 a través de agujeros de 12 milímetros de diámetro, todos los cuales ayudan a transmitir calor del módulo de alimentación a la capa de cobre inferior.

Observaciones finales

Para adaptarse al aumento del número de vías de voltaje y microprocesadores y FPGAs de mayor rendimiento, soluciones avanzadas de gestión de energía como el módulo de energía isl8240m ayudan a mejorar la eficiencia proporcionando una mayor densidad de potencia y un menor consumo de energía. La mejor implementación del agujero a través en el diseño del PCB del módulo de energía se ha convertido en un factor cada vez más importante para lograr una mayor densidad de potencia.