電路設計 - PCB功率模組散熱設計的解決方案

電力系統設計工程師總是希望在較小的電路板面積上實現更高的功率密度, 以及需要支持FPGA大電流負載的資料中心服務器和LTE基站, 亞瑟士, 微處理器的功耗越來越高，尤其如此. 為了獲得更高的輸出電流, 多相系統的使用正在新增. 為了在較小的電路板面積上實現更高的電流水准, 系統設計工程師開始放弃離散功率解決方案，選擇功率模組. 這是因為功率模組為降低電源設計和解決方案的複雜性提供了一種流行的選擇 PCB佈局 與跟單信用證相關的問題/直流變流器.

This article discusses a 多層PCB layout 使用通孔佈局最大化雙相功率模組散熱效能的方法. 功率模組可以配寘為雙通道20A單相輸出或單通道40A雙相輸出. 示例 PCB設計 帶通孔用於散熱電源模組，以實現更高的功率密度, 這樣它就可以在沒有散熱器或風扇的情况下工作.

那麼，該功率模組如何實現如此高的功率密度呢？ 由於使用銅作為基板，圖1電路圖中所示的功率模組提供了僅為8.5°C/W的極低熱阻。 為了為功率模組散熱，功率模組安裝在具有直接安裝特性的高效導熱電路板上。

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), 這使得功率模組的散熱更加容易.

為了確定PCB頂部銅層的熱阻，我們取銅層的厚度（t）除以熱導率和橫截面積的乘積。 為了便於計算，我們使用1平方英寸作為橫截面積，此時A=B=1英寸。 銅層的厚度為2.8密耳（0.0028英寸）。 這是沉積在1平方英寸電路板上的2盎司銅的厚度。 係數k是銅的W/（in°C）係數，其值等於9。 囙此，對於這1平方英寸的2.8密耳銅熱流，熱阻為0.0028/9=0.0003°C/W。

從這些圖中，我們知道33.4密耳（t5）層的熱阻最高。 圖4中的所有數字顯示了四層1平方英寸電路板從頂部到底部的總熱阻。 如果我們添加一個從PCB頂部到PCB底部的通孔連接怎麼辦？ 讓我們分析一下添加這種通孔連接的情况。

電路板中使用的通孔的孔徑約為12密耳（0.012英寸）。 在製作通孔時，首先鑽一個直徑為0.014英寸的孔，然後鍍銅。 這將在孔內側新增約1密耳（0.001英寸）的銅。 電路板也採用ENIG電鍍工藝。 這會在銅的外表面新增約200微英寸的鎳和約5微英寸的金。 我們在計算中忽略了這些資料，只使用銅來確定通孔的熱阻。

使用該公式計算12密耳（直徑）孔，我們得到r0=6密耳（0.006英寸），r1=7密耳（0.007英寸）和K=9（鍍銅）。

變數l是通孔的長度（從頂部銅層到底部銅層）。 焊接功率模組的電路板上沒有阻焊板，但對於其他區域，PCB設計工程師可能需要在每個通孔頂部安裝阻焊板，否則通孔上方的區域將空置。 由於通孔僅連接到外部銅層，其長度為63.4密耳（0.0634英寸）。 通孔總長度本身的熱阻為167°C/W。

請注意，當熱量通過通孔向下流動並到達另一層，特別是另一銅層時，它將橫向擴散到該資料層。 添加越來越多的通孔最終會减少這種影響，因為從一個通孔橫向傳播到附近資料的熱量最終會遇到另一個方向（從另一個通孔）的熱量。 ISL8240MEVAL4Z評估板的尺寸為3英寸x 4英寸。 電路板的頂層和底層包含2盎司銅，兩個內層各包含2盎司銅。 為了使這些銅層工作，電路板有917個直徑12密耳的通孔，所有這些通孔都有助於將熱量從功率模組傳播到下麵的銅層。

結束語

為了適應電壓軌數量的新增和更高效能的微處理器和FPGA, 先進的電源管理解決方案，如ISL8240M電源模組，通過提供更高的功率密度和更低的功耗，有助於提高效率. 網絡中通孔的優化實現 PCB設計 功率模組的功率密度已成為實現更高功率密度的一個越來越重要的因素.