【经验】解决电源模块散热问题的多层PCB布局方法
电源系统设计工程师总想在更小电路板面积上实现更高的功率密度，对需要支持来自耗电量越来越高的FPGA、ASIC和微处理器等大电流负载的数据中心服务器和LTE基站来说尤其如此。为达到更高的输出电流，多相系统的使用越来越多。为在更小电路板面积上达到更高的电流水平，系统设计工程师开始弃用分立电源解决方案而选择电源模块。这是因为电源模块为降低电源设计复杂性和解决与DC/DC转换器有关的印刷电路板(PCB)布局问题提供了一种受欢迎的选择。瑞萨在本文讨论了一种使用通孔布置来最大化双相电源模块散热性能的多层PCB布局方法。其中的电源模块可以配置为两路20A单相输出或者单路40A双相输出。使用带通孔的示例电路板设计来给电源模块散热，以达到更高的功率密度，使其无需散热器或风扇也能工作。
那么该电源模块如何才能实现如此高的功率密度？图1电路图中显示的电源模块提供仅有8.5°C/W的极低热阻θJA，这是因为其衬底使用了铜材料。为给电源模块散热，电源模块安装在具有直接安装特性的高效导热电路板上。该多层电路板有一个顶层走线层（电源模板安装于其上）和利用通孔连接至顶层的两个内埋铜平面。该结构有非常高的导热系数（低热阻），使电源模块的散热很容易。为理解这一现象，我们来分析一下ISL8240MEVAL4Z评估板的实现（图2）。这是一个在四层电路板上支持双路20A输出的电源模块评估板。
该电路板有四个PCB层，标称厚度为0.062英寸(±10%)，并且采用层叠排列，如图3所示。
该PCB主要由FR4电路板材料和铜组成，另有少量焊料、镍和金。表1列出了主要材料的导热系数。
●SAC305*是最流行的无铅焊料，由96.5%锡、3.0%银和0.5%铜组成。
●W=瓦特，in=英寸，C=摄氏度，m=米，K=开氏度
我们使用式1来确定材料的热阻。
为确定图3中电路板顶部铜层的热阻，我们取铜层的厚度(t)并除以导热系数与截面积之积。为计算方便，我们使用1平方英寸作为截面积，这时A=B=1英寸。铜层的厚度为2.8密耳（0.0028英寸）。这是2盎司铜沉积在1平方英寸电路板区域的厚度。系数k是铜的W/(in-°C)系数，其值等于9。因此，对于这1平方英寸2.8密耳铜的热流，热阻为0.0028/9=0.0003°C/W。我们可使用图3显示的每层尺寸和表1中的相应k系数，来计算每层1平方英寸电路板区域的热阻。结果如图4所示。
从这些数字，我们可知33.4密耳(t5)层的热阻是最高的。图4中的所有数字显示了从顶层至底层的这四层1平方英寸电路板的总热阻。如果我们添加一个从电路板顶层至底层的通孔连接会怎样？我们来分析添加该通孔连接的情况。
电路板使用的通孔的成孔尺寸约为12密耳（0.012英寸）。制造该通孔时先钻一个直径为0.014英寸的孔，然后镀铜，这会在孔内侧增加约1密耳（0.001英寸）厚的铜壁。该电路板还使用了ENIG电镀工艺。这在铜外表面上增加约200微英寸镍和约5微英寸金。我们在计算中忽略这些材料，只使用铜来确定通孔的热阻。
式2是计算圆柱形管热阻的公式。
变量l是圆柱形管的长度，k是导热系数，r1是较大半径，r0是较小半径。对12密耳（直径）成孔使用该式，我们有r0=6密耳（0.006英寸）、r1=7密耳（0.007英寸）和K=9（镀铜）。
变量l是通孔的长度（从顶面铜层到底面铜层）。电路板上焊接电源模块的地方没有阻焊层，但对其他区域，PCB设计工程师可能要求在每个通孔的顶部放置阻焊层，否则通孔上面的区域会空缺。由于通孔只连接外铜层，所以其长度为63.4密耳（0.0634英寸）。总通孔长度本身的热阻是167°C/W，如式3所示。
图 6 列出了连接电路板各层的每段通孔的热阻。
请注意，这些值只是一个通孔本身的热阻，并未考虑穿过电路板的每一段与围绕它的材料是横向连接的。
如果我们分析图4中各个电路板层的热阻值，并将它们与一个通孔的热阻值进行比较，似乎该通孔的热阻比每层的热阻高很多，但是请注意，一个通孔只占1平方英寸电路板区域的1/5000不到。
如果我们决定比较更小的电路板区域，比如0.25英寸x0.25英寸（这是前面电路板区域的1/16），则图4中的每个热阻值将增加到原来的16倍。例如，t4和33.4密耳厚FR4层的热阻会从5.21875°C/W增加至83.5°C/W。仅对该0.25英寸x0.25英寸区域添加一个通孔就会使穿过该33.4密耳FR4层的热阻减少近一半（83.5°C/W和90.91°C/W）。0.25英寸x0.25英寸方块的面积是一个通孔的面积的约400倍。那么如果在该区域布置16个通孔会怎样？与一个通孔相比，所有平行通孔的有效热阻将减小16倍。图7比较了各个0.25英寸x0.25英寸电路板层与16个通孔的热阻。0.25英寸x0.25英寸电路板的33.4密耳厚FR4层的热阻为83.5°C/W。16个平行通孔具有5.6821°C/W的等效热阻。
这16个通孔只占0.25英寸x0.25英寸电路板区域面积的不到1/25，但可显著减小从顶面到低层的热阻连接。
请注意，当热向下流过通孔并达到另一层时，特别是另一个铜层时，其将横向扩散到该材料层。添加越来越多通孔最终会降低效果，因为从一个通孔横向扩散到附近材料的热最终会与来自另一个方向（源自从另一通孔）的热相遇。
ISL8240MEVAL4Z评估板的尺寸是3英寸x4英寸。电路板上的顶层和底层有2盎司铜，还有两个内层各包含2盎司铜。为使这些铜层发挥作用，电路板有917个12密耳直径的通孔，它们全都有助于将热从电源模块扩散到下面的铜层。
结束语
为适应电压轨数目的增多和更高性能的微处理器和FPGA，诸如ISL8240M电源模块等先进的电源管理解决方案，通过提供更大功率密度和更小功耗来帮助提高效率。通孔在电源模块电路板设计中的最优实现，已成为实现更高功率密度的一个越来越重要的因素。
- |
- +1 赞 0
- 收藏
- 评论 0
本文由深蓝的鱼转载自Renesas，原文标题为:解决电源模块散热问题的 PCB 设计，本站所有转载文章系出于传递更多信息之目的，且明确注明来源，不希望被转载的媒体或个人可与我们联系，我们将立即进行删除处理。
相关推荐
【经验】RH850_D1x 评估板 GHS调试笔记
RH850 / D1x，根据系列不同，所支持的视频/图像输出不同，分辨率也不同，同时具有多通道，多类型通讯接口，如CAN，LIN，Flexray等以及安全功能（如锁步CPU）， ECC，BIST（内置自检）和ECM（错误控制模块），同时， 产品还内置了ICU-S（硬件安全模块）。本文基于RH850_D1x Evaluation Boards（评估板），对这个评估板的调试进行介绍。
【技术】探讨电源模块的概念以及使用集成电源模块与分立式降压开关稳压器的优势
较新的基础设施可能在一个系统中使用20-40个负载点（降压）转换器，每个转换器具有不同的输出电压和输出电流需求，这给系统电源设计工程师带来了挑战。在本文中，瑞萨（Renesas）将比较使用集成电源模块与分立式降压开关稳压器的优势。
EVK-UFT285-6-7评估板
本资料为EVK-UFT285-6-7评估板用户指南，旨在帮助用户评估IDT第三代通用频率转换器家族的8T49N285、8T49N286和8T49N287设备。评估板通过USB连接到PC并运行IDT Timing Commander™软件，可配置和编程设备以生成具有最佳性能的频率。指南详细介绍了评估板的硬件配置、电源要求、输入输出配置、EEPROM引导、直流控制和晶振接口等内容。
RENESAS - BOARD,EVALUATION BOARD,评估板,板,8T49N285,8T49N286,8T49N287,EVK-UFT285-6-7
【产品】单通道降压型同步DC/DC电源模块评估板ISL8280MEVAL1Z和ISL8282MEVAL1Z
Renesas推出的ISL8280MEVAL1Z和 ISL8282MEVAL1Z评估板用于评估ISL8280M和ISL8282M单通道降压型同步DC/DC电源模块。可将评估板连接至PC从而激活PMBus通信接口，用瑞萨电子PowerNavigator评估软件可访问PMBus命令集；也可在外部引脚设置模式下工作。
瑞萨电源模块选型：模拟型/数字型可选，提供完整的DC/DC电源解决方案
瑞萨电子（Renesas）电源模块提供完整的DC/DC电源解决方案，从而减少开发时间，同时可以节省电路板空间以及降低成本。其产品具有小型化、高功率效率以及鲁班特性如数字控制、均流等，且支持多个电源模块级联以输出高功率。世强是圣邦微电子官方授权代理商，可供应圣邦微音频驱动器，提供瑞萨电子电源模块选型，提供瑞萨电子电源模块数据手册，提供瑞萨电子电源模块技术支持等服务资源等。
8T49N282评估板
本指南介绍了8T49N282评估板的用户使用手册，该评估板用于评估IDT的第三代通用频率转换器系列中的IDT8T49N281、IDT8T49N282和IDT8T49N283设备。通过USB连接PC和IDT Timing Commander™软件，用户可以配置和编程设备以生成具有最佳性能的频率。指南详细说明了硬件要求、连接步骤、输入输出配置、电源供应、晶振接口以及EEPROM引导等操作细节。
RENESAS - BOARD,EVALUATION BOARD,评估板,板,IDT8T49N282,IDT8T49N283,IDT8T49N281,8T49N282
【产品】瑞萨高转换效率小尺寸模拟电源模块和数字电源模块，需要的外部器件极少
瑞萨是成熟的电源模块供应厂家，最近推出了一些很有特色的电源产品。本文为读者介绍其新推出的两款降压电源模块ISL8215M和ISL8274M，分别为模拟电源模块和数字电源模块，可以满足不同客户对开发的需求。目前两款产品都在大规模生产，有丰富的供货资源。
【产品】瑞萨RAA210925 25A降压DC/DC电源模块评估板RTKA2109252H00000BU
瑞萨RTKA2109252H00000BU评估板是4.0英寸 x 4.5英寸8层FR4板（顶层和底层2oz的PCB板铜箔，埋层中1oz的PCB板铜箔）。该评估板带有一个用于引脚配置电阻的占位焊盘，通过调整引脚配置的电阻来调整输出电压，开关频率，输入欠压锁定（UVLO）保护阈值，器件PMBus地址，过流限制，ASCR设置和软启动设置。使用符合PMBus标准的串行总线接口，可以轻松编程或更改更多配置。
RA6M4 CPK-RA6M4 评估板入门
本文档为瑞萨RA6M4单片机的评估板CPK-RA6M4的入门指南，旨在帮助用户快速上手。内容涵盖评估板的硬件操作、软件配置、示例程序下载与调试，以及如何使用实时操作系统和USB端口进行数据传输。指南详细介绍了e2 studio IDE的使用，包括项目创建、FSP配置器设置、代码编写、编译和调试等步骤。
RENESAS - 评估板,评估板套件,MCU,单片机,CPK-RA6M4,RA6M4
DC/DC电源模块选型，要低纹波的，都有哪些厂家推荐？
世强元件电商平台上有供应日本ROHM（罗姆）、日本FDK、日本Intersil（被Renesas收购）等电源模块，相关选型指南参考链接如下：ROHM（罗姆）电源模块选型参考链接：https://www.sekorm.com/doc/672364.html；FDK 绝缘DC/DC功率模块选型参考链接：https://www.sekorm.com/chapter/4568.html；Intersil 功率级电源模块选型参考链接：https://www.sekorm.com/chapter/3912.html；Intersil的电源模块具有高输出电流特性，典型输出电流有6A（ISL8203M）、30A（ISL8225M）、40A（ISL8240M）、25A（ISL8270M）、33A（ISL8271M）、50A（ISL8272M）、80A（ISL8273M）等，黑色加粗的30A/40A对应的型号工作温度达125℃，而其他型号的最高工作温度为85℃。
Intersil ISL9120IIx-EVZ 评估板用户指南
本资料为ISL9120IIx-EVZ评估板用户指南，介绍了ISL9120系列开关稳压器的性能特点和评估板的使用方法。评估板支持固定和可调输出电压，适用于1.8V至5.5V的输入电压，输出电流可达800mA。资料详细说明了评估板的规格、功能描述、操作范围、快速启动指南、PCB布局和物料清单。
RENESAS - EVALUATION BOARD,评估板,ISL9120IIN-EVZ,ISL9120,ISL9120IIX-EVZ,ISL9120IIA-EVZ,公共安全设备,工业电子,消费电子,军工设备,汽车电子
82P33731/33831评估板
本资料介绍了82P33731/33831评估板的用户指南，包括板的概述、组件、电源设置、输入输出连接器、软件配置和使用方法。资料详细描述了如何通过Timing Commander软件配置和编程板以生成标准频率，以及如何连接板到PC和电源。此外，还提供了板上晶振的安装、默认频率输出、与TimingCommand软件的配置步骤以及如何查看状态信息。
RENESAS - EVALUATION BOARD,BOARDS,评估板,板,82P33831,82P33X31,82EBP33831-2,82EBP33831-1,IDT82P33831,IDT82P33731,82P33731
Intersil ISL78229EV1Z评估板用户指南（UG065.1）
该资料为ISL78229EV1Z评估板的用户指南，介绍了该评估板的功能和特性。评估板演示了ISL78229的2相同步升压操作和PMBus™功能，包括输入恒定电流（CC）控制、模拟/数字跟踪、二极管仿真、相位下降、PMBus™功能等。资料详细说明了评估板的规格、操作范围、功能描述、配置和测试点，以及如何设置测试设备、外部连接和启动测量过程。此外，还提供了关于如何堆叠两个评估板以实现并行操作的信息。
RENESAS - EVALUATION BOARD,评估板,ISL78229,ISL78229EV1Z,工业电子,消费电子,航空航天,汽车电子
ISL81801EVAL1Z评估板
该资料介绍了ISL81801EVAL1Z评估板，一款基于ISL81801的高电压同步升降压控制器。该控制器具有宽输入电压范围（9V至80V）、双向操作、可选的DEM/PWM模式、可选的CC/HICCUP OCP保护等功能。评估板适用于高电流应用，输出电压为12V，输出电流可达10A。资料还提供了PCB布局指南、典型性能曲线和物料清单等信息。
RENESAS - EVALUATION BOARD,评估板,ISL81801EVAL1Z,ISL81801
电子商城
现货市场
服务
可定制高压电源模块的输入电压100VDC-2000VDC、功率范围5W-500W/4W-60W； 高压输出电源模块的输出电压100VDC-2000VDC。功率范围：4W-60W。
提交需求>
提供全面表征产品器件耗电特征及功耗波形、快速瞬态效应、电源优化、表征和仿真测试服务，使用直流电源分析仪测量精度达50µV，8nA，波形发生器带宽100kHz，输出功率300W，示波器200kHz，512 kpts
实验室地址： 深圳/苏州 提交需求>
授权代理品牌：集成电路
授权代理品牌：分立元件
授权代理品牌：接插件及结构件
授权代理品牌：部件、组件及配件
授权代理品牌：电源及模块
授权代理品牌：电子材料
授权代理品牌：仪器仪表及测试配组件
授权代理品牌：电工工具及材料
授权代理品牌：机械电子元件
授权代理品牌：加工与定制
我要提问
登录 | 立即注册
提交评论