來源:松哥電源 作者:劉松 王傳喜
BUCK變換器多層PCB熱設(shè)計技巧
發(fā)布時間:2019-12-30 責(zé)任編輯:xueqi
【導(dǎo)讀】實際的應(yīng)用中,很多降壓型BUCK變換器,通常要利用連接到相應(yīng)管腳的大片PCB銅皮來散熱:單芯片的BUCK電源IC,主要利用IC的GND管腳,焊接到PCB的GND銅皮來散熱;部分內(nèi)部封裝分立MOSFET的BUCK電源IC,以及采用分立方案的BUCK變換器,如使用控制器驅(qū)動分立MOSFET、Power Stage、Power Block或 DrMOS,都會利用開關(guān)節(jié)點SW對應(yīng)的管腳,焊接到PCB的銅皮來散熱。本文主要討論使用SW鋪設(shè)PCB銅皮時,如何優(yōu)化PCB的設(shè)計,來優(yōu)化PCB的散熱性能。
前面研究過:器件散熱管腳對應(yīng)的PCB板銅皮鋪的面積越大,總熱阻就越低,器件的溫升就越低,由于PCB板上其他元件及PCB本身尺寸的限制,散熱銅皮鋪設(shè)的面積也就受到限制。那么,對于多層PCB板,如何在各層鋪設(shè)銅皮,比較優(yōu)化?
下面以一個使用開關(guān)節(jié)點SW管腳來散熱的BUCK電源IC來研究這個問題,輸入電壓:12V,輸出電壓:5V,輸出電流:4A,工作頻率:500KHz,4層PCB板,1OZ覆銅。
PCB的設(shè)計1:開關(guān)節(jié)點SW管腳下面,4層PCB板每層都鋪設(shè)相應(yīng)的SW銅皮,然后用多個過孔連接4層PCB的SW銅皮,特別是IC底部SW管腳下面,布設(shè)多個過孔。
圖1:PCB的設(shè)計1
PCB的設(shè)計2:開關(guān)節(jié)點SW管腳下面,4層PCB板每層都鋪設(shè)相應(yīng)的SW銅皮,然后用多個過孔連接4層PCB的SW銅皮,但是,IC底部SW管腳下面沒有布設(shè)過孔。
圖2:PCB的設(shè)計2
PCB的設(shè)計3:開關(guān)節(jié)點SW管腳下面,只有PCB的頂層鋪設(shè)SW銅皮,其他層對應(yīng)的位置,鏤空。
圖3:PCB的設(shè)計3
PCB的設(shè)計4:開關(guān)節(jié)點SW管腳下面,只有PCB板的頂層鋪設(shè)SW銅皮,其他層對應(yīng)的位置都為GND銅皮平面。
圖4:PCB的設(shè)計4
測量4種條件下IC的溫度,結(jié)果如圖5、圖6、圖7、圖8所示。
圖5:PCB設(shè)計1的IC溫度
圖6:PCB設(shè)計2的IC溫度
圖7:PCB設(shè)計3的IC溫度
圖8:PCB設(shè)計4的IC溫度
由實驗的結(jié)果,可以得到以下結(jié)論:
(1)電源IC芯片用來散熱的管腳,使用大的散熱銅皮和多層銅皮,直接在散熱管腳下面布設(shè)過孔連接這些多層銅皮,可以極大提高散熱性能。但是,多層鋪設(shè)SW銅皮,如果SW管腳下面不直接布設(shè)過孔,會極大影響散熱性能。
(2)多層PCB板,即使僅有頂層鋪設(shè)SW銅皮,只要第2層鋪設(shè)GND銅皮平面,可以達(dá)到多層鋪設(shè)SW銅皮同樣的散熱效果。由于頂層和第2層的距離比較近,熱量可以有效的通過傳導(dǎo)和輻射的方式,到達(dá)第2層GDN平面,然后散出去;而且,這種設(shè)計對系統(tǒng)的干擾最小。
(3)只有頂層孤島的銅皮、下方鏤空的設(shè)計,散熱效果最差。
來源:松哥電源 作者:劉松 王傳喜
來源:松哥電源 作者:劉松 王傳喜
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