圖1:包括兩個(gè)20A輸出的ISL8240M電路
雙相電源模塊散熱性能的多層PCB布局方法的研究
發(fā)布時(shí)間:2021-04-26 責(zé)任編輯:lina
【導(dǎo)讀】電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師總想在更小電路板面積上實(shí)現(xiàn)更高的功率密度,對(duì)需要支持來自耗電量越來越高的FPGA、ASIC和微處理器等大電流負(fù)載的數(shù)據(jù)中心服務(wù)器和LTE基站來說尤其如此。為達(dá)到更高的輸出電流,多相系統(tǒng)的使用越來越多。
電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師總想在更小電路板面積上實(shí)現(xiàn)更高的功率密度,對(duì)需要支持來自耗電量越來越高的FPGA、ASIC和微處理器等大電流負(fù)載的數(shù)據(jù)中心服務(wù)器和LTE基站來說尤其如此。為達(dá)到更高的輸出電流,多相系統(tǒng)的使用越來越多。為在更小電路板面積上達(dá)到更高的電流水平,系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師開始棄用分立電源解決方案而選擇電源模塊。這是因?yàn)殡娫茨K為降低電源設(shè)計(jì)復(fù)雜性和解決與DC/DC轉(zhuǎn)換器有關(guān)的印刷電路板(PCB)布局問題提供了一種受歡迎的選擇。
本文討論了一種使用通孔布置來化雙相電源模塊散熱性能的多層PCB布局方法。其中的電源模塊可以配置為兩路20A單相輸出或者單路40A雙相輸出。使用帶通孔的示例電路板設(shè)計(jì)來給電源模塊散熱,以達(dá)到更高的功率密度,使其無需散熱器或風(fēng)扇也能工作。
圖1:包括兩個(gè)20A輸出的ISL8240M電路
那么該電源模塊如何才能實(shí)現(xiàn)如此高的功率密度?圖1電路圖中顯示的電源模塊提供僅有8.5°C/W的極低熱阻θ,這是因?yàn)槠湟r底使用了銅材料。為給電源模塊散熱,電源模塊安裝在具有直接安裝特性的高效導(dǎo)熱電路板上。該多層電路板有一個(gè)頂層走線層(電源模板安裝于其上)和利用通孔連接至頂層的兩個(gè)內(nèi)埋銅平面。該結(jié)構(gòu)有非常高的導(dǎo)熱系數(shù)(低熱阻),使電源模塊的散熱很容易。
為理解這一現(xiàn)象,我們來分析一下ISL8240MEVAL4Z評(píng)估板的實(shí)現(xiàn)(圖2)。這是一個(gè)在四層電路板上支持雙路20A輸出的電源模塊評(píng)估板
圖2:ISL8240MEVAL4Z電源模塊評(píng)估板
該電路板有四個(gè)PCB層,標(biāo)稱厚度為0.062英寸(±10%),并且采用層疊排列,如圖3所示。
圖3:ISL8240M電源模塊使用的四層0.062”電路板的層疊排列
該P(yáng)CB主要由FR4電路板材料和銅組成,另有少量焊料、鎳和金。表1列出了主要材料的導(dǎo)熱系數(shù)。
SAC305* 是的無鉛焊料,由96.5%錫、3.0%銀和0.5%銅組成。 W = 瓦特,in = 英寸,C = 攝氏度,m = 米,K =開氏度
我們使用式1 來確定材料的熱阻。
式1:計(jì)算材料的熱阻
為確定圖3中電路板頂部銅層的熱阻,我們?nèi)°~層的厚度(t)并除以導(dǎo)熱系數(shù)與截面積之積。為計(jì)算方便,我們使用1平方英寸作為截面積,這時(shí)A=B=1英寸。銅層的厚度為2.8密耳(0.0028英寸)。這是2盎司銅沉積在1平方英寸電路板區(qū)域的厚度。系數(shù)k是銅的W/(in-°C)系數(shù),其值等于9。因此,對(duì)于這1平方英寸2.8密耳銅的熱流,熱阻為0.0028/9=0.0003°C/W。我們可使用圖3顯示的每層尺寸和表1中的相應(yīng)k系數(shù),來計(jì)算每層1平方英寸電路板區(qū)域的熱阻。結(jié)果如圖4所示。
圖4:1平方英寸電路板層的熱阻
從這些數(shù)字,我們可知33.4密耳(t5)層的熱阻是的。圖4中的所有數(shù)字顯示了從頂層至底層的這四層1平方英寸電路板的總熱阻。如果我們添加一個(gè)從電路板頂層至底層的通孔連接會(huì)怎樣?我們來分析添加該通孔連接的情況。
電路板使用的通孔的成孔尺寸約為12密耳(0.012英寸)。制造該通孔時(shí)先鉆一個(gè)直徑為0.014英寸的孔,然后鍍銅,這會(huì)在孔內(nèi)側(cè)增加約1密耳(0.001英寸)厚的銅壁。該電路板還使用了ENIG電鍍工藝。這在銅外表面上增加約200微英寸鎳和約5微英寸金。我們?cè)谟?jì)算中忽略這些材料,只使用銅來確定通孔的熱阻。
式2是計(jì)算圓柱形管熱阻的公式。
式2:計(jì)算圓柱形管熱阻
變量l是圓柱形管的長度,k是導(dǎo)熱系數(shù),r1是較大半徑,r0是較小半徑。
對(duì)12密耳(直徑)成孔使用該式,我們有r0=6密耳(0.006英寸)、r1=7密耳(0.007英寸)和K=9(鍍銅)。
圖5:12密耳通孔的表面尺寸
變量l是通孔的長度(從頂面銅層到底面銅層)。電路板上焊接電源模塊的地方?jīng)]有阻焊層,但對(duì)其他區(qū)域,PCB設(shè)計(jì)工程師可能要求在每個(gè)通孔的頂部放置阻焊層,否則通孔上面的區(qū)域會(huì)空缺。由于通孔只連接外銅層,所以其長度為63.4密耳(0.0634英寸)??偼组L度本身的熱阻是167°C/W,如式3所示。
式3:計(jì)算一個(gè)通孔(12密耳)的熱阻
圖6列出了連接電路板各層的每段通孔的熱阻。
圖6:連接電路板各層的通孔段的熱阻
請(qǐng)注意,這些值只是一個(gè)通孔本身的熱阻,并未考慮穿過電路板的每一段與圍繞它的材料是橫向連接的。
如果我們分析圖4中各個(gè)電路板層的熱阻值,并將它們與一個(gè)通孔的熱阻值進(jìn)行比較,似乎該通孔的熱阻比每層的熱阻高很多,但是請(qǐng)注意,一個(gè)通孔只占1平方英寸電路板區(qū)域的1/5000不到。如果我們決定比較更小的電路板區(qū)域,比如0.25英寸x0.25英寸(這是前面電路板區(qū)域的1/16),則圖4中的每個(gè)熱阻值將增加到原來的16倍。例如,t4和33.4密耳厚FR4層的熱阻會(huì)從5.21875°C/W增加至83.5°C/W。僅對(duì)該0.25英寸x0.25英寸區(qū)域添加一個(gè)通孔就會(huì)使穿過該33.4密耳FR4層的熱阻減少近一半(83.5°C/W和90.91°C/W)。0.25英寸x0.25英寸方塊的面積是一個(gè)通孔的面積的約400倍。那么如果在該區(qū)域布置16個(gè)通孔會(huì)怎樣?與一個(gè)通孔相比,所有平行通孔的有效熱阻將減小16倍。圖7比較了各個(gè)0.25英寸x0.25英寸電路板層與16個(gè)通孔的熱阻。0.25英寸x0.25英寸電路板的33.4密耳厚FR4層的熱阻為83.5°C/W。16個(gè)平行通孔具有5.6821°C/W的等效熱阻。
這16個(gè)通孔只占0.25英寸x0.25英寸電路板區(qū)域面積的不到1/25,但可顯著減小從頂面到低層的熱阻連接。
圖7:熱阻值比較
請(qǐng)注意,當(dāng)熱向下流過通孔并達(dá)到另一層時(shí),特別是另一個(gè)銅層時(shí),其將橫向擴(kuò)散到該材料層。添加越來越多通孔終會(huì)降低效果,因?yàn)閺囊粋€(gè)通孔橫向擴(kuò)散到附近材料的熱終會(huì)與來自另一個(gè)方向(源自從另一通孔)的熱相遇。ISL8240MEVAL4Z評(píng)估板的尺寸是3英寸x4英寸。電路板上的頂層和底層有2盎司銅,還有兩個(gè)內(nèi)層各包含2盎司銅。為使這些銅層發(fā)揮作用,電路板有917個(gè)12密耳直徑的通孔,它們?nèi)加兄趯釓碾娫茨K擴(kuò)散到下面的銅層。
結(jié)束語
為適應(yīng)電壓軌數(shù)目的增多和更高性能的微處理器和FPGA,諸如ISL8240M電源模塊等先進(jìn)的電源管理解決方案,通過提供更大功率密度和更小功耗來幫助提高效率。通孔在電源模塊電路板設(shè)計(jì)中的實(shí)現(xiàn),已成為實(shí)現(xiàn)更高功率密度的一個(gè)越來越重要的因素。
(來源:維庫電子市場(chǎng)網(wǎng))
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