大功率PCB散熱設(shè)計指南

無論是使用電力電子設(shè)備，嵌入式系統(tǒng)，工業(yè)設(shè)備，還是設(shè)計新的主板，都必須應(yīng)對系統(tǒng)中的溫度上升問題。持續(xù)高溫運行會縮短電路板壽命，甚至可能導(dǎo)致系統(tǒng)某些關(guān)鍵點出現(xiàn)故障。在設(shè)計過程中盡早考慮散熱，有助于延長電路板和組件的使用壽命。

散熱設(shè)計從估算工作溫度開始

在開始新設(shè)計之前，需要考慮電路板運行的溫度，電路板的工作環(huán)境以及組件的功耗。這些因素共同作用，可以確定電路板和組件的工作溫度。這也將有助于定制散熱的策略。

將電路板放在環(huán)境溫度較高的環(huán)境中會使其保持更多的熱量，因此它將在較高的溫度下運行。耗散更多功率的組件將需要更高效的冷卻方法，好將溫度保持在設(shè)定水平。重要的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)可能會規(guī)定操作期間組件和基板的最高溫度。

在設(shè)計散熱管理策略之前，請務(wù)必檢查數(shù)據(jù)表中組件的允許工作溫度以及重要行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定溫度。需要將主動和被動冷卻與正確的電路板布局結(jié)合起來，以便防止損壞電路板。

主動冷卻與被動冷卻：哪種適合你的電路板？

這是任何設(shè)計師都應(yīng)考慮的重要問題。通常，當(dāng)環(huán)境溫度遠低于工作溫度時，被動冷卻效果最佳。系統(tǒng)與環(huán)境之間的熱梯度會很大，從而迫使較大的熱流從您的組件和電路板本身散發(fā)出去。使用主動冷卻，即使環(huán)境溫度更高，也可以根據(jù)主動冷卻系統(tǒng)提供更好的降溫效果。

被動冷卻

應(yīng)嘗試將有源組件的被動冷卻降至最低水平，好讓熱量散布到接地層中。許多有源組件包括位于封裝底部的散熱墊，允許熱量通過縫合過孔散發(fā)到附近的接地層。然后，這些縫合通孔一直延伸到組件下方的銅墊。有一些PCB計算器可以用于估計組件下方所需的銅墊的大小。

顯然，組件下方的銅墊不能延伸超出實際組件的邊緣，因為這會干擾表面安裝墊或通孔引腳。如果單個墊不能將溫度降低到所需水平，則可能需要在設(shè)備頂部添加散熱器以散發(fā)更多的熱量。還可以使用導(dǎo)熱墊或?qū)岣嘣黾舆M入散熱器的熱通量。

蒸發(fā)冷卻是另一種選擇。但是，蒸發(fā)冷卻組件非常笨重，因此不適用于許多系統(tǒng)。如果系統(tǒng)泄漏或破裂，則整個板上都會有液體泄漏。此時，不妨采用主動冷卻方法，提供相同或更好的散熱效果。

主動散熱

如果您需要進一步降低諸如FPGA，CPU或其他具有高開關(guān)速度的有源組件的溫度，則當(dāng)被動冷卻無法解決問題時，可能需要使用風(fēng)扇進行主動冷卻。風(fēng)扇并不是一直以全速運轉(zhuǎn)，有時甚至可能不會打開。溫度較高的組件和產(chǎn)生更多熱量的組件需要風(fēng)扇以更快的速度運行。

風(fēng)扇嘈雜，因為PWM信號會因開關(guān)而產(chǎn)生一些噪聲。開發(fā)板將需要一個電路來生成PWM信號以控制風(fēng)扇速度，還需要一個傳感器來測量相關(guān)組件的溫度。帶有電子開關(guān)控制器的交流驅(qū)動風(fēng)扇還會在基本開關(guān)頻率和每個高次諧波處產(chǎn)生輻射EMI。如果使用風(fēng)扇，附近的走線組件將需要具有足夠的噪聲抑制/抗擾度。

還可以使用冷卻液或制冷劑等主動冷卻系統(tǒng)提供大量的冷卻。這是一種不常見的解決方案，因為它需要泵或壓縮機才能使冷卻液或制冷劑流過系統(tǒng)。例如，在高性能游戲計算機中使用水冷系統(tǒng)來冷卻GPU。

一些簡單的熱設(shè)計指南

在信號走線下方使用接地層可改善信號完整性和噪聲抑制性能，它還可以充當(dāng)散熱器。帶有導(dǎo)熱墊的組件可將縫合過孔向下延伸至接地層，這將使接地層更容易耗散表面層的熱量。然后，在表層上的跡線中產(chǎn)生的熱量很容易散發(fā)到接地層中。

載有大電流的走線，特別是直流電路中的走線，將需要具有更大的銅重量，以便在電路板上散發(fā)適量的熱量。這可能需要比通常在高速或高頻設(shè)備中使用的走線更寬的走線。幾何形狀會影響交流信號的走線阻抗，這意味著您可能需要更改堆疊，以使阻抗與信號標(biāo)準(zhǔn)或源/負(fù)載組件中定義的值保持匹配。

當(dāng)心電路板中的熱循環(huán)，因為在高和低值之間反復(fù)進行溫度循環(huán)會導(dǎo)致應(yīng)力累積在通孔和走線中。這會導(dǎo)致高縱橫比的通孔中的管破裂。長時間循環(huán)還會在表面層上造成痕跡分層，從而破壞電路板。