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Gli ingegneri di progettazione di sistemi di alimentazione vogliono sempre raggiungere una densità di potenza maggiore su un'area di circuito più piccola, e per i server del data center e le stazioni base LTE che devono supportare grandi carichi di corrente da FPGA, ASIC e microprocessori che consumano sempre più energia Questo è particolarmente vero. Al fine di ottenere correnti di uscita più elevate, l'uso di sistemi multi-fase è in aumento. Al fine di raggiungere livelli di corrente più elevati su un'area più piccola del circuito stampato, gli ingegneri di progettazione del sistema hanno iniziato ad abbandonare soluzioni di alimentazione discrete e a scegliere moduli di alimentazione. Questo perché i moduli di alimentazione forniscono una scelta popolare per ridurre la complessità della progettazione dell'alimentazione elettrica e risolvere i problemi di layout PCB relativi ai convertitori DC / DC.
Questo articolo discute un metodo di layout PCB multistrato che utilizza un layout a foro passante per massimizzare le prestazioni di dissipazione del calore di un modulo di alimentazione bifase. Il modulo di alimentazione può essere configurato come uscita monofase 20A a due canali o uscita bifase 40A monocanale. L'esempio di progettazione PCB con fori passanti viene utilizzato per dissipare il calore dal modulo di alimentazione per ottenere una maggiore densità di potenza, in modo che possa funzionare senza dissipatore di calore o ventilatore.
Quindi come può questo modulo di potenza raggiungere una densità di potenza così alta? Il modulo di potenza mostrato nel diagramma del circuito in Figura 1 fornisce una resistenza termica estremamente bassa Î di soli 8,5°C/W, dovuta all'uso del rame come substrato. Al fine di dissipare il calore per il modulo di alimentazione, il modulo di alimentazione è montato su un circuito ad alta efficienza termicamente conduttivo con caratteristiche di montaggio diretto.
Il circuito multistrato ha uno strato superiore di cablaggio (su cui è installato il modello di alimentazione) e due piani di rame interrati collegati allo strato superiore con fori passanti. Questa struttura ha una conducibilità termica molto elevata (bassa resistenza termica), che rende facile la dissipazione del calore del modulo di potenza.
Per determinare la resistenza termica dello strato di rame sulla parte superiore del PCB, prendiamo lo spessore dello strato di rame (t) e lo dividiamo per il prodotto della conducibilità termica e l'area della sezione trasversale. Per la comodità del calcolo, usiamo 1 pollice quadrato come area della sezione trasversale, in questo momento A=B=1 pollice. Lo spessore dello strato di rame è di 2,8 mil (0,0028 pollici). Questo è lo spessore di 2 once di rame depositati su un'area del circuito di 1 pollice quadrato. Il coefficiente k è il coefficiente W/(in-°C) del rame e il suo valore è pari a 9. Pertanto, per questo 1 pollice quadrato di flusso di calore di rame 2,8 mil, la resistenza termica è 0,0028/9=0,0003°C/W.
Da queste cifre sappiamo che la resistenza termica dello strato 33,4 mil (t5) è la più alta. Tutti i numeri nella Figura 4 mostrano la resistenza termica totale del circuito stampato a quattro strati da 1 pollici quadrato dall'alto verso il basso. Cosa succede se aggiungiamo una connessione passante dalla parte superiore del PCB alla parte inferiore del PCB? Analizziamo la situazione dell'aggiunta di questa connessione passante.
La dimensione del foro dei fori passanti utilizzati nel circuito stampato è di circa 12 mil (0,012 pollici). Quando si fa il foro passante, un foro con un diametro di 0,014 pollici viene forato prima e poi il rame è placcato. Questo aggiungerà circa 1 mil (0,001 pollici) di rame all'interno del foro. Il circuito stampato utilizza anche il processo di placcatura ENIG. Questo aggiunge circa 200 micropollici di nichel e circa 5 micropollici di oro alla superficie esterna del rame. Ignoriamo questi materiali nei nostri calcoli e utilizziamo solo rame per determinare la resistenza termica della via.
Utilizzando questa formula per i fori da 12 mil (diametro), abbiamo r0=6 mil (0,006 pollici), r1=7 mil (0,007 pollici) e K=9 (placcatura in rame).
La variabile l è la lunghezza della via (dallo strato superiore di rame allo strato inferiore di rame). Non c'è maschera di saldatura sul circuito stampato in cui il modulo di alimentazione è saldato, ma per altre aree, gli ingegneri di progettazione PCB possono richiedere una maschera di saldatura sulla parte superiore di ciascun foro passante, altrimenti l'area sopra il foro passante sarà vuota. Poiché la via si collega solo allo strato esterno di rame, la sua lunghezza è 63,4 mil (0,0634 pollici). La resistenza termica della lunghezza totale via stessa è 167°C/W.
Si noti che quando il calore scorre attraverso la via e raggiunge un altro strato, in particolare un altro strato di rame, si diffonderà lateralmente a quello strato di materiale. Aggiungere sempre più vias ridurrà infine l'effetto, perché il calore che si diffonde lateralmente da una via al materiale vicino alla fine incontrerà il calore dall'altra direzione (da un'altra via). La dimensione della scheda di valutazione ISL8240MEVAL4Z è 3 pollici x 4 pollici. Gli strati superiori e inferiori del circuito contengono 2 once di rame, e i due strati interni contengono ciascuno 2 once di rame. Per far funzionare questi strati di rame, il circuito stampato ha 917 12 mil di diametro attraverso fori, tutti che aiutano a diffondere il calore dal modulo di alimentazione allo strato di rame sottostante.
osservazioni conclusive
Per adattarsi all'aumento del numero di binari di tensione e microprocessori e FPGA ad alte prestazioni, soluzioni avanzate di gestione dell'energia come i moduli di alimentazione ISL8240M aiutano a migliorare l'efficienza fornendo una maggiore densità di potenza e un minore consumo energetico. La realizzazione ottimale di fori passanti nella progettazione PCB dei moduli di alimentazione è diventata un fattore sempre più importante per ottenere una maggiore densità di potenza.
