高密度模塊電源系統(tǒng)的PCB布局與散熱設(shè)計

在這篇關(guān)于高性能 PCB 布局原理的概述中，Joe Aguilar 說明了散熱設(shè)計方法并提供供電網(wǎng)絡(luò) (PDN) 概述，講述降低阻抗的大電流路由策略以及設(shè)計高效去耦電容的一些重要考慮因素。

高性能計算的電源設(shè)計：

任務(wù)關(guān)鍵型 PCB

電源系統(tǒng)設(shè)計一般會關(guān)注從電源向負(fù)載供電所需的轉(zhuǎn)換器、分立式組件和配件，不僅將印刷電路板 (PCB) 作為安裝及路由層，而且還主要依靠反饋控制電路，彌補(bǔ)典型 PCB 中的大量小型損耗和阻抗。但近年來，用于人工智能和超級計算的處理器等高密度負(fù)載高級程度和速度都得到了提升，讓每個組件的功能實現(xiàn)了最大化。

嚴(yán)格的穩(wěn)壓要求和極高的瞬態(tài)壓擺率意味著：系統(tǒng)內(nèi)壓降的每個來源和功耗的每個來源，無論有多小，都會產(chǎn)生可測量的負(fù)面影響。因此，PCB 布局是實現(xiàn)高性能電源的關(guān)鍵。本文簡要介紹高性能 PCB 布局的原理，其中包括散熱設(shè)計方法、供電網(wǎng)絡(luò) (PDN) 概述、降低阻抗的大電流路由策略以及設(shè)計高效去耦電容的一些重要考慮因素。圖 1 是 Vicor 創(chuàng)建的最新設(shè)計的示例，主要針對測試和演示，將在本文中被使用。

圖 1：在這個測試電路板中，一個 PRM 穩(wěn)壓器和兩個 VTM 電流倍增器安裝在一塊高密度 PCB 上，為一個仿真高性能計算處理器的負(fù)載模塊供電。工作時，將在 VTM 和負(fù)載模塊上安裝一款冷卻板或散熱器，另一款散熱器將安裝在 PRM 上。

散熱設(shè)計

電力系統(tǒng)設(shè)計中的熱管理目標(biāo)是將熱量從產(chǎn)熱結(jié)點高效傳遞到周圍空氣中。一些傳遞會自然發(fā)生，但即使在常規(guī)設(shè)計中，一般也需要增加散熱片和風(fēng)扇。高密度系統(tǒng)需要在設(shè)計過程的早期對 PCB 進(jìn)行詳細(xì)的傳熱分析，以便最大限度將 PCB 本身作為熱導(dǎo)體。

圖 2：通過 PCB 的傳導(dǎo)是高密度熱管理的重要組成部分，需要使用等效電路來確定最有效的散熱路徑 (a)、(b)。良好的散熱設(shè)計可優(yōu)化傳導(dǎo)和對流傳熱模式 (c)。

電力系統(tǒng)的主要熱源是電源轉(zhuǎn)換器等有源組件的內(nèi)部結(jié)點。但對于拓?fù)渖崮Ｐ投?，它們可以表示為等效電路一端的?jié)點，見圖 2(a)。來自該內(nèi)部結(jié)點的熱量，到達(dá)電源系統(tǒng)周圍的環(huán)境空氣中必須通過的每個組件或材料，可以表示為阻礙熱量流向環(huán)境空氣的阻抗器。一個等效熱電路顯示了最明顯的路徑熱量源于一個電源轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部結(jié)點：通過外殼、TIM，最后通過散熱器進(jìn)入周圍空氣。此外，它還顯示了通過 PCB 的第二條不太明顯的并行路徑。第二條路徑經(jīng)常被忽視，但它對高密度電源設(shè)計的重要性再怎么強(qiáng)調(diào)也不為過。

熱模型可能會變得相當(dāng)復(fù)雜，因為每個網(wǎng)或位置的熱阻抗都不同。無論復(fù)雜程度怎樣，熱模型都將識別出具有阻抗最低路徑的網(wǎng)絡(luò)，以將熱量從組件的內(nèi)部結(jié)點帶走。設(shè)計人員隨后可使用該信息最大限度增加導(dǎo)熱，增加專門用于該網(wǎng)絡(luò)的銅箔，即延長外部銅箔層，并使用熱通孔增加超過最小表面積的表面積，以提高散熱潛力?？蛇m時使用各種類型的通孔：堆疊式通孔和埋孔、VIPPO 和傳統(tǒng)經(jīng)由通孔都是設(shè)計人員工具套件中的有效選項。

PDN 概覽

PDN 阻抗處于高密度計算電源系統(tǒng)的重要中心點區(qū)域，特別是 PCB 內(nèi)的 PDN 阻抗。這些系統(tǒng)工作頻率極高。在典型高性能計算電源系統(tǒng)中，PDN 由穩(wěn)壓器輸出和傳感點之間的幾個組件組成，傳感點通常位于 CPU 內(nèi)部，要么在裸片上，要么在 BGA 互連上。旁路電容器、去耦電容器與相關(guān)通孔及 BGA 互連構(gòu)成 PDN 的分立式組件。強(qiáng)大的超級計算處理器產(chǎn)生的高頻率負(fù)載步進(jìn)非常快，控制環(huán)路幾乎無法將 PDN 的影響降至最低。這就是為什么 PDN 是設(shè)計中不可或缺的組成部分。

圖 3：穩(wěn)壓器和 CPU 負(fù)載間供電網(wǎng)絡(luò) (PDN) 的分立式組件的阻抗會嚴(yán)重影響電源設(shè)計效果，特別是在高頻率和大負(fù)載步進(jìn)情況下。

大電流路由：降低 PDN 阻抗

預(yù)先定義 PCB 堆疊和平面圖，這一點非常重要，其中包括總層數(shù)、專門用于電源和接地的層數(shù)以及所用銅箔的重量。接下來為路由信號連續(xù)接地層確定專用層。然后為需要阻抗控制路由、有寄生限制或?qū)砥渌厥庾⒁馐马椀娜魏尉W(wǎng)絡(luò)定義所需的層。在為流耗是 1000 安培以上的大電流處理器設(shè)計時，正確把握這一點至關(guān)重要。

一些估算方法將為早期階段的 PCB 設(shè)計加速，使其更容易使用仿真來進(jìn)一步完善設(shè)計。用平方法估算銅箔層電阻率是一種簡單有效的方法。此外，平方法的一種變化方法也可用于估算相鄰電源層和返回層的電感。

圖 4：估算電源層電阻與電感的平方法。

此外，通孔電阻與電感也可通過簡單的幾何計算來估算，因為通孔可概念化為一個卷成筒的薄銅片。因此，通孔電阻 (R) 等于鍍層電阻率 (r) 與通孔長度 (L) 的乘積再除以鍍層截面積 (A)。

圖 5：通孔電阻可通過基于幾何的簡單經(jīng)驗法則估算。

寄生電容是 PCB 中阻抗的另一個重要來源，因此在任何仿真中都必須納入。與電阻及電感的估算一樣，近似計算 PCB 中的寄生電容從基本物理屬性開始：一般來說，一對平行導(dǎo)體層之間的電容會隨表面積的增大成正比增長；此外，其增長還與介電間距成反比。

圖 6：PCB 中的寄生電容是兩個層共享面積、這兩層的間距和材料標(biāo)稱介電常數(shù)的函數(shù)。

去耦電容

高密度電源系統(tǒng)需要精挑細(xì)選的去耦電容器來過濾高頻率開關(guān)噪聲。這種應(yīng)用需要電容器表現(xiàn)出極低的等效串聯(lián)電阻 (ESR) 和適量的自諧振頻率：超過該值，電容器將不再是有效的高頻率噪聲濾波器，因為由于等效串聯(lián)電感 (ESL) 的原因，其阻抗會變?yōu)殡姼?。總的來說，電容值甚至可能都不那么重要。

圖 7：電容器的選擇和通孔布置對于實現(xiàn)高頻率開關(guān)噪聲的低阻抗濾波至關(guān)重要。

實現(xiàn)低 ESR 和低 ESL 是首要目標(biāo)，為此，設(shè)計人員應(yīng)該考慮更小的低電感和反幾何電容器，其不僅可將正負(fù)極更靠近一點，而且還可增加自諧振頻率。周密布置組件和通孔，對于最小化環(huán)路電感非常重要。

一個旨在用于以 10,000A/μs 的速率處理 1000A 負(fù)載步進(jìn)的系統(tǒng)示例顯示了極為靠近電源模塊布置的 0402 去耦電容器如何衰減紋波以及插座中的其它電容器如何從 PDN 為負(fù)載去耦。

圖 7：采用高性能通孔排列進(jìn)行適當(dāng)電容器選擇和布置，可實現(xiàn)速率為 10,000A/μs 的 1000A 負(fù)載步進(jìn)。

鑒于在當(dāng)前高級處理器需要的電流量和電壓精度方面電源要求的不斷增加，因而為高性能計算和 AI 設(shè)計供電網(wǎng)絡(luò)是一項非常復(fù)雜的挑戰(zhàn)。因此，不僅需要散熱和 PDN 設(shè)計的最新建模與估算技術(shù)，而且還需要先進(jìn)的組件選擇和安放標(biāo)準(zhǔn)。

如欲了解該主題的更深入討論，請報名參加有關(guān)高性能 PCB 布局和散熱設(shè)計技術(shù)的點播網(wǎng)絡(luò)研討會。

本文最初由 Signal Integrity Journal 發(fā)表

以上為中譯

Joe Aguilar

Vicor 高級經(jīng)理，首席工程師

Joseph Aguilar 是 Vicor DC-DC 產(chǎn)品應(yīng)用高級經(jīng)理。他作為應(yīng)用工程師在電力電子行業(yè)擁有超過 15 年的經(jīng)驗。在 Aguilar 先生的職業(yè)生涯中，他從事的產(chǎn)品和應(yīng)用范圍很廣，包括國防、工業(yè)、電信、照明和計算機(jī)。Aguilar 先生在他最近的工作中主要專注于高性能計算應(yīng)用的產(chǎn)品和參考設(shè)計的開發(fā)。Aguilar 先生擁有馬薩諸塞州斯普林菲爾德的西新英格蘭學(xué)院的電子工程學(xué)士學(xué)位。

審核編輯：湯梓紅