電子設計 - PCB電源モジュール放熱設計ソリューション

電力システム設計エンジニアは、より小さな基板面積でより高い電力密度を実現することを常に望んでおり、FPGA、ASIC、およびマイクロプロセッサの大電流負荷をサポートする必要があるデータセンターサーバおよびLTE基地局にとって、これらの負荷によって消費される電力はますます大きくなっています。より高い出力電流を実現するために、多相システムの使用が増加している。より小さな回路基板面積でより高い電流レベルを実現するために、システム設計エンジニアは離散電源ソリューションを放棄し、電源モジュールを選択し始めた。これは、電源モジュールが電源設計の複雑さを低減し、DC/DCコンバータに関連するPCBレイアウトの問題を解決するための一般的な選択肢を提供しているためです。

本文は多層PCBレイアウト方法を討論し、この方法は通孔レイアウトを用いて二相パワーモジュールの放熱性能を最大限に高める。電源モジュールは、2チャネル20 Aの単相出力または1チャネル40 Aの2相出力として構成することができる。スルーホールを備えた例示的なPCBは、より高い電力密度を実現するために電源モジュールの熱を消散させるために設計されているので、ラジエータやファンなしで動作することができます。

では、このパワーモジュールはどのようにしてこのような高いパワー密度を実現しているのでしょうか。基板として銅を使用しているため、図1の回路図に示す電源モジュールは8.5°C/Wの極低熱抵抗を提供している。パワーモジュールを放熱するために、パワーモジュールは直接取り付け特性を持つ高効率熱伝導回路基板に取り付けられている。

多層回路基板は、電源テンプレートが取り付けられた上部配線層と、貫通孔を介して上部層に接続された2つの埋設銅平面とを有する。この構造は非常に高い熱伝導率（低熱抵抗）を有し、これによりパワーモジュールの放熱が容易になる。

PCB上部の銅層の熱抵抗を決定するために、銅層の厚さ（t）を取り、熱伝導率と断面積の積で割った。計算を容易にするために、断面面積として1平方インチを使用しました。この場合、A=B=1インチです。銅層の厚さは2.8ミル（0.0028インチ）であった。これは1平方インチの回路基板領域に堆積した2オンスの銅の厚さです。係数kは銅のW/（in−°C）係数であり、その値は9に等しい。したがって、1平方インチの2.8ミル銅熱流に対して、熱抵抗は0.0028/9=0.0003°C/Wである。

これらの図から、33.4ミル（t 5）層の熱抵抗が最も高いことが分かった。図4のすべての数字は、上から下までの4層の1平方インチ回路基板の総熱抵抗を示している。PCBの上部からPCBの下部へのスルーホール接続を追加したらどうしますか。このスルーホール接続を追加する場合を分析してみましょう。

回路基板に使用される貫通孔の孔サイズは約12ミル（0.012インチ）である。貫通孔を作製するには、まず直径0.014インチの孔を掘削し、次に銅めっきを行う。これにより、穴の内部に約1ミル（0.001インチ）の銅が追加されます。回路基板にもENIGめっき技術が採用されている。これにより、銅の外面に約200マイクロインチのニッケルと約5マイクロインチの金が増加した。計算ではこれらの材料を無視し、銅だけを使用してビアの熱抵抗を決定した。

12ミル（直径）の穴については、この式を用いて、r 0=6ミル（0.006インチ）、r 1=7ミル（0.002インチ）、K=9（銅めっき）を得た。

変数lは、ビアの長さ（上部銅層から底部銅層）である。溶接電源モジュールの回路基板には溶接マスクがありませんが、他の領域では、PCB設計エンジニアが各貫通孔の上部に溶接マスクを取り付ける必要がある可能性があります。そうしないと、貫通孔の上の領域が空になります。ビアは外部銅層にのみ接続されているため、長さは63.4ミル（0.0634インチ）です。総ビア長自体の熱抵抗は167°C/Wであった。

熱がビアを通って下に流れ、特に別の銅層に達すると、材料層に横方向に拡散します。ますます多くのビアを追加すると、最終的には、あるビアから近くの材料に横方向に伝播する熱が最終的に別の方向（別のビアから）からの熱に出会うため、その影響が減少します。ISL 8240 MEVAL 4 Z評価ボードのサイズは3インチx 4インチです。回路基板の上部と下部には2オンスの銅が含まれ、2つの内層にはそれぞれ2オンスの銅が含まれている。これらの銅層を動作させるために、回路基板は直径12ミルの917個の貫通孔を有し、これらの貫通孔はすべて電源モジュールから下の銅層に熱を伝播するのに役立つ。

おわりに

電圧レールと高性能マイクロプロセッサとFPGAの数の増加に対応するために、ISL 8240 M電源モジュールなどの先進的な電源管理ソリューションは、より大きな電力密度とより低い電力消費を提供することにより、効率の向上を支援します。パワーモジュールのPCB設計において、スルーホールの最適な実現は、より高いパワー密度を実現するためのますます重要な要素となっている。