一、DC-DC開關電源散熱問題:
一般而言,DC-DC的開關電源的主要發熱元器件集中在開關電源芯片,輸出電感這兩個主要元器件上,針對這兩個器件,我們需要做如下的Layerout設計以保證散熱問題:
1. 器件選型
在開關電源選型過程中,盡量選擇自帶ThermalPAD的器件,同時也可查看芯片的熱阻參數(參數越小越好),一般情況下自帶ThermalPAD的開關電源芯片有80%的熱量通過散熱焊盤耗散出去,散熱焊盤的能夠有效的將熱量在垂直方向傳遞到多層板的每一層,一般而言散熱焊盤為GND網絡,因此其散熱過孔能夠很好的連接每一層的大平面地,這樣能夠提高熱量在垂直方向的熱量分布均勻性,同時在PCB的另外Bottom Layer提供大面積的空氣接觸GND網絡銅皮。
2.器件布局(功率密度)
盡量避免大功率發熱器件的密集排布,當大功率器件集中排布時,由於熱量集中在一個特定的區域,導致PCB板局部溫度很高,熱量分布不均勻,熱量的耗散就會相互受阻,從而導致溫升較高,應該合理安排功率器件的排布,當然對於電感等器件應該盡量貼近芯片擺放的需求要先滿足。
3. 引腳散熱通道設計
一般情況下芯片的主要熱量除了通過散熱焊盤進行散熱以外,還有20%的熱量是通過芯片的金屬引腳耗散出去的,因此某些芯片的引腳設計能夠發現其某些引腳的尺寸略大一些,一般而言,發熱量較高的引腳主要是VIN、VOUT、SW這三個引腳,我們可以通過增加這三個引腳連接的銅皮大小以增加其散熱性能,當然如果有空間的話可以增加所有引腳連接的銅皮大小,這里需要注意的是,對於SW引腳連接的銅皮大小也不能太大,這是由於SW引腳屬於高頻信號GATE操作,銅皮太大會導致EMI的增加。
4. 大面積散熱銅皮利用
應該增加內電層和表層PCB銅皮的連接,同時需要增加PCB板表面GND網絡銅皮面積,這是由於表面是直接接觸空氣,能夠有效接觸空氣將熱量耗散至空氣當中,而增加過孔數量能夠保證板子在垂直方向上的熱量均勻分布,同時將熱量從內電層帶到表層提升散熱性能,也能避免PCB板的曲翹問題。
5. 散熱風扇風道設計
對於有散熱條件的設備,需考慮風扇的安裝位置,應該確保溫度敏感的器件(如小信號晶體管、小規模集成電路、電解電容等)處在流動空氣的上游位置,而大功率器件(如功率晶體管、大規模集成電路等)處在下游位置,需要確保風道能夠合理的流過大功率發熱器件,設備內印制板的散熱主要依靠空氣流動,所以在設計時要研究空氣流動路徑,合理配置器件或印制電路板。空氣流動時總是趨向於阻力小的地方流動,所以在印制電路板上配置器件時,要避免在某個區域留有較大的空域。整機中多塊印制電路板的配置也應注意同樣的問題。
6. 大功率器件布局位置
將功耗最高和發熱最大的器件布置在散熱最佳位置附近。不要將發熱較高的器件放置在印制板的角落和四周邊緣,除非在它的附近安排有散熱裝置。在設計功率電阻時盡可能選擇大一些的器件,且在調整印制板布局時使之有足夠的散熱空間。
7.定制散熱摸具(熱相變導熱墊)
高發熱器件加散熱器、導熱板當PCB中有少數器件發熱量較大時(少於3個)時,可在發熱器件上加散熱器或導熱管,當溫度還不能降下來時,可采用帶風扇的散熱器,以增強散熱效果。當發熱器件量較多時(多於3個),可采用大的散熱罩(板),它是按PCB板上發熱器件的位置和高低而定制的專用散熱器或是在一個大的平板散熱器上摳出不同的元件高低位置。將散熱罩整體扣在元件面上,與每個元件接觸而散熱。但由於元器件裝焊時高低一致性差,散熱效果並不好。通常在元器件面上加柔軟的熱相變導熱墊來改善散熱效果。
8.特定低熱阻PCB基材(鋁基)
可以選擇特定類型的PCB基材,例如一般而言對於高功率的LED照明光源由於其電路較為簡單,一般采用單層的鋁基材料作為PCB底板進行功率耗散,同樣的,可以通過設計增加PCB板的銅箔厚度為2oz,從而增加PCB板的導熱性能,提高散熱效率,增加PCB層數,可以增加整板的散熱性能。
9.銅皮開窗設計+銅槳工藝
對於有散熱焊盤的器件,其板子背面可以開窗設計,不覆蓋綠油,從而降低熱阻,提高散熱性能,同時對需要散熱的位置采用銅槳塞孔(過孔D=0.4mm)的工藝,填充后的過孔相當於一個個銅柱,其散熱性能大大提升。
Reference:
PCB電源等散熱設計參考資料:散熱設計資料