Rancangan Elektronik - Solusi desain penyebaran panas modul kuasa PCB

Syarikat desain sistem kuasa sentiasa mahu mencapai ketepatan kuasa yang lebih tinggi pada kawasan papan sirkuit yang lebih kecil, dan untuk pelayan pusat data dan stesen asas LTE yang perlu menyokong muatan semasa yang besar dari FPGAs, ASICs, dan mikroprosesor yang mengkonsumsi kuasa semakin banyak Ini terutama benar. Untuk mencapai arus output yang lebih tinggi, penggunaan sistem berbilang-fasa meningkat. Untuk mencapai aras semasa yang lebih tinggi di kawasan papan sirkuit yang lebih kecil, jurutera desain sistem mula meninggalkan penyelesaian kuasa diskret dan memilih modul kuasa. Ini kerana modul kuasa menyediakan pilihan populer untuk mengurangkan kompleksiti desain bekalan kuasa dan menyelesaikan isu bentangan PCB berkaitan dengan penyukar DC/DC.

Artikel ini membahas kaedah bentangan PCB berbilang lapisan yang menggunakan bentangan lubang-melalui untuk maksimumkan prestasi penyebaran panas modul kuasa dua-fasa. Modul kuasa boleh dikonfigur sebagai output dua-saluran 20A satu-fasa atau output satu-saluran 40A dua-fasa. Contoh rancangan PCB melalui lubang digunakan untuk menghapuskan panas dari modul bekalan kuasa untuk mencapai ketepatan kuasa yang lebih tinggi, sehingga ia boleh berfungsi tanpa sink panas atau penggemar.

Jadi bagaimana modul kuasa ini boleh mencapai ketepatan kuasa yang tinggi? Modul kuasa yang dipaparkan dalam diagram sirkuit dalam Figur 1 menyediakan resistensi panas yang sangat rendah θ hanya 8.5°C/W, disebabkan penggunaan tembaga sebagai substrat. Untuk menghapuskan panas untuk modul kuasa, modul kuasa dipasang pada papan sirkuit konduktif termal efisien tinggi dengan ciri-ciri pemasangan langsung.

Papan sirkuit berbilang lapisan mempunyai lapisan kawat atas (di mana templat bekalan kuasa dipasang) dan dua pesawat tembaga terkubur yang disambung ke lapisan atas dengan melalui lubang. Struktur ini mempunyai konduktiviti panas yang sangat tinggi (resistensi panas rendah), yang membuat penyebaran panas modul kuasa mudah.

Untuk menentukan resistensi panas lapisan tembaga di atas PCB, kita ambil tebal lapisan tembaga (t) dan bahagikan dengan produk konduktiviti panas dan kawasan salib. Untuk kemudahan pengiraan, kita gunakan 1 inci kuasa dua sebagai kawasan salib, pada masa ini A=B=1 inci. Ketempatan lapisan tembaga adalah 2.8 mils (0.0028 inci). Ini ialah tebal 2 ons tembaga yang ditempatkan pada kawasan papan sirkuit 1 inci kuasa dua. Koeficient k ialah koeficient W/(in-°C) tembaga, dan nilainya sama dengan 9. Oleh itu, untuk 1 inci kuasa dua ini aliran panas tembaga 2,8 juta, resistensi panas ialah 0.0028/9=0.0003°C/W.

Dari angka-angka ini, kita tahu bahawa resistensi panas lapisan 33.4 mil (t5) adalah tertinggi. Semua nombor dalam Gambar 4 menunjukkan keseluruhan perlawanan panas papan sirkuit empat lapisan 1 inci kuasa dua dari atas ke bawah. Bagaimana jika kita tambah sambungan melalui lubang dari atas PCB ke bawah PCB? Mari kita analisis situasi menambah sambungan melalui lubang ini.

Saiz lubang lubang yang digunakan dalam papan sirkuit adalah kira-kira 12 mils (0.012 inci). Apabila membuat lubang melalui, lubang dengan diameter 0.014 inci dibuang dahulu, dan tembaga dibuang. Ini akan menambah kira-kira 1 juta (0.001 inci) tembaga ke dalam lubang. Papan sirkuit juga menggunakan proses penutup ENIG. Ini menambah kira-kira 200 mikroinci nikel dan kira-kira 5 mikroinci emas ke permukaan luar tembaga. Kami mengabaikan bahan-bahan ini dalam pengiraan kami dan hanya menggunakan tembaga untuk menentukan resistensi panas melalui.

Dengan formula ini untuk lubang 12 juta (diameter), kita ada r0=6 juta (0.006 inci), r1=7 juta (0.007 inci) dan K=9 (peletak tembaga).

Pembolehubah l ialah panjang laluan (dari lapisan tembaga atas ke lapisan tembaga bawah). Tiada topeng askar di papan sirkuit di mana modul kuasa ditetapkan, tetapi untuk kawasan lain, jurutera rancangan PCB mungkin memerlukan topeng askar di atas setiap lubang melalui, jika tidak kawasan di atas lubang melalui akan kosong. Oleh kerana melalui hanya menyambung ke lapisan tembaga luar, panjangnya ialah 63.4 mils (0.0634 inci). Penegangan panas total melalui panjang sendiri adalah 167°C/W.

Perhatikan bahawa apabila panas mengalir ke bawah melalui melalui dan mencapai lapisan lain, terutama lapisan tembaga lain, ia akan menyebar di sebelah lapisan bahan itu. Menambah lebih dan lebih botol akan akhirnya mengurangkan kesan, kerana panas menyebar secara lateral dari satu melalui bahan dekat akan akhirnya bertemu panas dari arah lain (melalui lain). Saiz papan penilaian ISL8240MEVAL4Z adalah 3 inci x 4 inci. Lapisan atas dan bawah papan sirkuit mengandungi 2 ons tembaga, dan dua lapisan dalaman masing-masing mengandungi 2 ons tembaga. Untuk membuat lapisan tembaga ini berfungsi, papan sirkuit mempunyai 917 diameter 12 mil melalui lubang, yang semua membantu menyebarkan panas dari modul kuasa ke lapisan tembaga di bawah.

pernyataan akhir

Untuk menyesuaikan kepada peningkatan bilangan keretapi tenaga dan mikroprosesor prestasi yang lebih tinggi dan FPGA, penyelesaian pengurusan kuasa maju seperti modul kuasa ISL8240M membantu meningkatkan efisiensi dengan menyediakan padatan kuasa yang lebih besar dan konsumsi kuasa yang lebih rendah. Pengetahuan optimal melalui lubang dalam rancangan PCB modul kuasa telah menjadi faktor yang semakin penting untuk mencapai ketepatan kuasa yang lebih tinggi.