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  • PCB散热设计小记

    一、DC-DC开关电源散热问题:

    一般而言,DC-DC的开关电源的主要发热元器件集中在开关电源芯片,输出电感这两个主要元器件上,针对这两个器件,我们需要做如下的Layerout设计以保证散热问题:

    1. 器件选型

        在开关电源选型过程中,尽量选择自带ThermalPAD的器件,同时也可查看芯片的热阻参数(参数越小越好),一般情况下自带ThermalPAD的开关电源芯片有80%的热量通过散热焊盘耗散出去,散热焊盘的能够有效的将热量在垂直方向传递到多层板的每一层,一般而言散热焊盘为GND网络,因此其散热过孔能够很好的连接每一层的大平面地,这样能够提高热量在垂直方向的热量分布均匀性,同时在PCB的另外Bottom Layer提供大面积的空气接触GND网络铜皮。

     

    2.器件布局(功率密度)

        尽量避免大功率发热器件的密集排布,当大功率器件集中排布时,由于热量集中在一个特定的区域,导致PCB板局部温度很高,热量分布不均匀,热量的耗散就会相互受阻,从而导致温升较高,应该合理安排功率器件的排布,当然对于电感等器件应该尽量贴近芯片摆放的需求要先满足。

    3. 引脚散热通道设计

    一般情况下芯片的主要热量除了通过散热焊盘进行散热以外,还有20%的热量是通过芯片的金属引脚耗散出去的,因此某些芯片的引脚设计能够发现其某些引脚的尺寸略大一些,一般而言,发热量较高的引脚主要是VIN、VOUT、SW这三个引脚,我们可以通过增加这三个引脚连接的铜皮大小以增加其散热性能,当然如果有空间的话可以增加所有引脚连接的铜皮大小,这里需要注意的是,对于SW引脚连接的铜皮大小也不能太大,这是由于SW引脚属于高频信号GATE操作,铜皮太大会导致EMI的增加。

    4. 大面积散热铜皮利用

        应该增加内电层和表层PCB铜皮的连接,同时需要增加PCB板表面GND网络铜皮面积,这是由于表面是直接接触空气,能够有效接触空气将热量耗散至空气当中,而增加过孔数量能够保证板子在垂直方向上的热量均匀分布,同时将热量从内电层带到表层提升散热性能,也能避免PCB板的曲翘问题。

    5. 散热风扇风道设计

        对于有散热条件的设备,需考虑风扇的安装位置,应该确保温度敏感的器件(如小信号晶体管、小规模集成电路、电解电容等)处在流动空气的上游位置,而大功率器件(如功率晶体管、大规模集成电路等)处在下游位置,需要确保风道能够合理的流过大功率发热器件,设备内印制板的散热主要依靠空气流动,所以在设计时要研究空气流动路径,合理配置器件或印制电路板。空气流动时总是趋向于阻力小的地方流动,所以在印制电路板上配置器件时,要避免在某个区域留有较大的空域。整机中多块印制电路板的配置也应注意同样的问题。

    6. 大功率器件布局位置

        将功耗最高和发热最大的器件布置在散热最佳位置附近。不要将发热较高的器件放置在印制板的角落和四周边缘,除非在它的附近安排有散热装置。在设计功率电阻时尽可能选择大一些的器件,且在调整印制板布局时使之有足够的散热空间。

    7.定制散热摸具(热相变导热垫)

        高发热器件加散热器、导热板当PCB中有少数器件发热量较大时(少于3个)时,可在发热器件上加散热器或导热管,当温度还不能降下来时,可采用带风扇的散热器,以增强散热效果。当发热器件量较多时(多于3个),可采用大的散热罩(板),它是按PCB板上发热器件的位置和高低而定制的专用散热器或是在一个大的平板散热器上抠出不同的元件高低位置。将散热罩整体扣在元件面上,与每个元件接触而散热。但由于元器件装焊时高低一致性差,散热效果并不好。通常在元器件面上加柔软的热相变导热垫来改善散热效果。

      

     

    8.特定低热阻PCB基材(铝基)

        可以选择特定类型的PCB基材,例如一般而言对于高功率的LED照明光源由于其电路较为简单,一般采用单层的铝基材料作为PCB底板进行功率耗散,同样的,可以通过设计增加PCB板的铜箔厚度为2oz,从而增加PCB板的导热性能,提高散热效率,增加PCB层数,可以增加整板的散热性能。

    9.铜皮开窗设计+铜桨工艺

    对于有散热焊盘的器件,其板子背面可以开窗设计,不覆盖绿油,从而降低热阻,提高散热性能,同时对需要散热的位置采用铜桨塞孔(过孔D=0.4mm)的工艺,填充后的过孔相当于一个个铜柱,其散热性能大大提升。

    Reference:

    PCB电源等散热设计参考资料:散热设计资料

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  • 原文地址:https://www.cnblogs.com/uestc-mm/p/14922809.html
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