전자 설계 - PCB 전원 공급 장치 모듈 냉각 설계 솔루션

전력 시스템 설계 엔지니어는 항상 더 작은 회로 기판 면적에서 더 높은 전력 밀도를 달성하기를 원하며 특히 FPGA, ASIC 및 마이크로프로세서를 지원하는 큰 전류 부하가 필요한 데이터 센터 서버 및 LTE 기지국에 적합합니다.더 높은 출력 전류를 실현하기 위해 다상 시스템의 사용이 증가하고 있다.더 작은 회로 기판 면적에서 더 높은 전류 수준을 달성하기 위해 시스템 설계 엔지니어는 분리 전원 솔루션을 포기하고 전원 모듈을 선택하기 시작했습니다.이는 전원 공급 장치 모듈이 전력 설계의 복잡성을 줄이고 DC/DC 동글과 관련된 PCB 레이아웃 문제를 해결하는 데 널리 사용되는 옵션을 제공하기 때문입니다.

이 문서에서는 이중 전력 모듈의 발열 성능을 최대화하기 위해 통공 레이아웃을 사용하는 다중 레이어 PCB 레이아웃 방법을 논의합니다.전원 공급 장치 모듈은 이중 채널 20A 단상 출력 또는 단일 채널 40A 이중 출력으로 구성할 수 있습니다.구멍이 뚫린 샘플 PCB는 전력 밀도를 높이기 위해 전원 모듈의 열을 분산하도록 설계되었으므로 히트싱크나 팬 없이 작동할 수 있습니다.

그렇다면 이 전력 모듈은 어떻게 이렇게 높은 전력 밀도를 실현할 수 있을까?구리를 안감으로 사용하기 때문에, 그림 1 회로도에 표시된 전원 모듈은 8.5 ° C/W로 매우 낮은 열 저항을 제공합니다.전력 모듈의 열을 방출하기 위해 전력 모듈은 직접 설치 특성이 있는 고효율 열전도 회로 기판에 설치됩니다.

다중 레이어 보드에는 전원 템플릿이 장착된 상단 경로설정 레이어와 상단 레이어에 구멍을 통해 연결된 2개의 구리 평면이 있습니다.이 구조는 매우 높은 열전도율 (저열 저항) 을 가지고 있어 전력 모듈의 열을 쉽게 방출할 수 있다.

PCB 상단의 구리 층의 열 저항을 확인하기 위해 구리 층의 두께 (t) 를 취하고 열전도율과 횡단 면적의 곱으로 나눕니다.계산을 용이하게 하기 위해서, 우리는 1제곱인치를 횡단면적으로 사용하는데, 이때 A=B=1인치이다.구리층의 두께는 2.8밀이(0.0028인치)다.1제곱인치 회로기판 영역에 쌓인 구리 2온스의 두께다.계수 k는 구리의 W/(in-°C) 계수이며 값은 9입니다.따라서 2.8밀이의 1제곱인치 구리 열류의 경우 열저항은 0.0028/9 = 0.0003°C/W입니다.

이 그림에서 우리는 33.4밀이(t5)층의 열저항이 가장 높다는 것을 알고 있다.그림 4의 모든 숫자는 상단에서 하단까지의 4층 1제곱인치 회로 기판의 총 열 저항을 보여 준다.PCB 상단에서 PCB 하단으로 구멍 연결을 추가하면 어떻게 됩니까?이 통과 구멍 연결을 추가하는 방법을 살펴보겠습니다.

보드에 사용되는 구멍의 구멍 크기는 약 12밀(0.012인치)입니다.구멍을 만들 때는 먼저 지름이 0.014인치인 구멍을 드릴한 다음 구리를 도금합니다.이렇게 하면 구멍 내부에 약 1밀의 귀 (0.001인치) 의 구리가 추가됩니다.회로기판도 ENIG 도금 공법을 사용한다.이는 구리의 외표면에 약 200마이크로인치의 니켈과 약 5마이크로인치의 금을 증가시켰다.우리는 계산에서 이런 재료들을 무시하고 구리만 사용하여 구멍의 열저항을 확정하였다.

12밀이 (지름) 의 구멍에 대해 이 공식을 사용하면 r0 = 6밀이 (0.006인치), r1 = 7밀이 (0.002인치), K= 9 (구리도금) 를 얻을 수 있다.

변수 l은 위쪽 구리 레이어에서 아래쪽 구리 레이어까지 구멍을 통과하는 길이입니다.용접 전원 모듈의 보드에는 용접 마스크가 없지만 다른 영역의 경우 PCB 설계 엔지니어가 각 구멍의 상단에 용접 마스크를 설치해야 할 수 있습니다. 그렇지 않으면 구멍 상단의 영역이 비어 있습니다.오버홀은 외부 구리 레이어에만 연결되므로 길이는 63.4밀이(0.0634인치)입니다.총 구멍 길이 자체의 열 저항은 167 ° C/W입니다.

열량이 구멍을 통해 아래로 흐르고 다른 층, 특히 다른 구리 층에 도달하면 재료층으로 가로로 확산됩니다.점점 더 많은 오버홀을 추가하면 결국 이러한 영향을 줄일 수 있습니다. 왜냐하면 한 오버홀로부터 인근 재료로 가로로 전파되는 열은 결국 다른 방향 (다른 오버홀로부터) 의 열을 만나게 되기 때문입니다.ISL8240MEVAL4Z 평가판의 크기는 3인치 x 4인치입니다.회로기판의 최상층과 하층에는 2온스의 구리가 함유되어 있고, 두 내층에는 각각 2온스의 구리가 함유되어 있다.이러한 구리 층을 작동시키기 위해 회로 기판에는 전원 모듈에서 아래의 구리 층으로 열을 전파하는 데 도움이되는 지름 12 밀이의 구멍이 917 개 있습니다.

끝말

ISL8240M 전원 공급 장치 모듈과 같은 고급 전력 관리 솔루션은 전압 레일 및 고성능 마이크로프로세서 및 FPGA 증가에 맞춰 전력 밀도를 높이고 전력 소비량을 줄여 효율성을 향상시킵니다.전원 모듈 PCB 설계에서 통공의 최적화 실현은 더 높은 전력 밀도를 실현하는 데 점점 더 중요한 요소가 되었다.