Дизайн PCB - Решение конструкции модуля питания PCB для охлаждения

Инженеры по проектированию электрических систем всегда хотят добиться более высокой плотности мощности на меньших площадях платы, and for data center servers and LTE base stations that need to support large current loads from FPGAs, Артур, and microprocessors that consume more and more power This is especially true. чтобы получить более высокий выходной ток, the use of multi-phase systems is increasing. для достижения более высокого уровня электрического тока на меньших площадях платы, system design engineers began to abandon discrete power solutions and choose power modules. Это потому, что модуль питания предоставляет популярный выбор для снижения сложности проектирования и решения проблем питания. схема PCB issues related to DC/преобразователь постоянного тока.

This article discusses a multi-layer PCB layout метод оптимизации теплоотдачи модуля двухфазной мощности. модуль питания может быть настроен как двухканальный двухфазный выход 20а или одноканальный 40а двухфазный выход. Пример PCB с пропусканием отверстий предназначен для модулей питания теплоотвода для достижения высокой плотности мощности, Так оно может работать без радиатора или вентилятора.

Итак, как этот модуль питания может достичь такой высокой плотности мощности? модуль питания, показанный на рисунке 1, обеспечивает очень низкую теплоизоляцию, которая составляет лишь 8,5°C / W, поскольку используется медь в качестве базы. для теплоотвода модуля питания модуль питания устанавливается на панель высокоэффективных теплопроводных цепей, имеющих непосредственно установленные характеристики.

The multi-layer circuit board has a top wiring layer (on which the power supply template is installed) and two buried copper planes connected to the top layer with through holes. This structure has a very high thermal conductivity (low thermal resistance), which makes the heat dissipation of the power module easy.

для определения теплового сопротивления медного слоя в верхней части PCB, мы получаем толщину медного слоя (t) делится на произведение удельной теплопроводности и площади поперечного сечения. Для удобства вычисления мы используем 1 квадратный дюйм в качестве поперечного сечения, когда A = B = 1 дюйм. толщина медного слоя составляет 2,8 миллиметра (00028 дюйма). Это толщина 2 унций меди, осажденных на 1 квадратный дюйм платы. коэффициент k - коэффициент W / (in - C) для меди, величина которого равна 9. Таким образом, тепловое сопротивление составляет 00003°C / W для медного теплового потока в 2,8 миллиметра на 1 квадратный дюйм.

из этих рисунков мы знаем, что уровень тепловых сопротивлений в 33.4 миллиметра (t5) является самым высоким. Все цифры, приведенные на рисунке 4, указывают на общее тепловое сопротивление от верхнего до нижнего уровня четырехуровневой платы на 1 квадратный дюйм. Что если мы добавим подключение с верхней части PCB до нижней части PCB? Давайте проанализируем ситуацию с добавлением этой дырки.

размер проходного отверстия в платы составляет около 12 миллиметров (0012 дюймов). при изготовлении проходного отверстия сначала сверлить отверстие диаметром 0014 дюйма, потом покрыть медью. это добавит в отверстие медь на 1 миллиграмм (0001 дюйма). Кроме того, плата используется для нанесения гальванического покрытия энигом. это добавит около 200 микродюймов никеля и около 5 микродюймов золота на внешнюю поверхность меди. Мы проигнорировали эти материалы в наших расчетах, используя только медь для определения теплового сопротивления проходного отверстия.

с помощью этой формулы вычисляются 12 - миллиметровые (диаметр) отверстия, которые мы получаем R0 = 6 миллиметров (0006 дюйма), r1 = 7 миллиметров (0007 дюймов) и K = 9 (покрытие медью).

переменная l - длина проходного отверстия (с верхнего медного покрытия до конца). на платы модуля электросварки нет сопротивления, но для других областей инженеры - конструкторы PCB, возможно, должны установить блоки на верхней части каждого проходного отверстия, в противном случае верхняя часть проходного отверстия будет пуста. Поскольку проходное отверстие соединяется только с внешним медным слоем, его длина составляет 63,4 миля (00634 дюйма). общее тепловое сопротивление самой длины проходного отверстия составляет 167°C / W.

обратите внимание, что, когда тепло течет вниз через отверстие и достигает другого слоя, особенно другого медного слоя, оно распространяется горизонтально на этот слой материала. увеличение количества проходных отверстий в конечном счете уменьшает это воздействие, поскольку тепло, распространяющееся от одного проходного отверстия к другому, в конечном счете попадает в другое направление (от другого проходного отверстия). ISL8240MVAL4Z оценил размер панели на 3 дюйма x 4 дюйма. в верхней и нижней частях платы содержится по 2 унции меди, а в двух внутренних слоях - по 2 унции меди. для того чтобы эти медные слои работали, на платы 917 проходных отверстий диаметром 12 мм, все эти отверстия помогают передавать тепло из модуля питания в следующий слой меди.

Заключительные замечания

увеличение количества микропроцессоров и FPGA, Усовершенствованные решения по управлению питанием, такие, как модуль ISL8240M питания, способствуют повышению эффективности, обеспечивая более высокую плотность мощности и более низкие энергозатраты. The optimal realization of through holes in the PCB design of power modules has become an increasingly important factor in achieving higher power density.