高性能DCDC设计的关键之电源热设计(五)—PCB设计中的要点

最后第四部分我想给大家介绍一下

就是这个刚才讲了这个热的一些基本的一些知识

我想这里就是我们 PCB 该如何进行设计

我想这里大家可能要注意一下

就是说后面我们有个问题就是关于 PCB 布板

我想这是对大家在应用上面

也可能要注意的一些东西

这一块大家可以看到这是一个 PCB 的一个剖面图

这边是我的一个 IC 一个引脚

然后这个打了一个过孔到底板

横向的热量横向的一个传导

这个过孔通过上面把这个热传导下来之后

传到底板上面

传到底板之后

这里有两部分组成

第一部分它就会出现一个

就是说同一个物体之间

它会传到底板上

底板上因为两边的温度可能会有温差

两层这个板的中心位置和两边之间有一个偏差

所以它这个就会出现一个热量的一个传递

然后最后它同时它会通过底板

把这个热量散发到空气中

所以这是大概的一个传递图

当然了这个地方我没有完全画完

那这一块它是可以通过 Pin 脚进行热量的散发

同时或者把这个通过上盖

把这个热量散到空气中

所以我们在设计中大家可以看到

这个孔是非常重要的

所以在你的设计中能打孔的地方

就是说 IC 的附近尽量多打一些

和下面的铜皮有更多的接触

它的热量会散到底层去

同时因为大家知道

金属的传热能力是非常强的

所以如果可以或者是在你的成本

在你的控制范围之内的

你可以尽量多打一些铜皮

尽量用厚一点的铜皮

它的传导的能力会强很多

同时在这些板材上

普通的 FR4 这种板材的话

它的散热能力是比较差的

但是最好就是说 FR4 上面

或者你要补铜的，补金属层的

或者说用一些更好的板材来做它

这个就是说刚才前面有提到

是单层板和四层板它一个差异

这边就是它的一个 θJA 的一个比

这是这一个就是我们的不同的封装

横轴是不同的封装

纵轴就是它的一个热阻

结温和空气之间的这个热阻

右边就是两种

一层板，低 K 的

和四层板，高 K 的

它的这个漂移这个比值

其实就是这两个一个大概比值

这是一个实例

就是说我们在测试的过程中

这是一个 22966 的一边板

我们做两块

第一块我们是采用的是两层

然后一盎司的铜

第二块我们采用八层

也是一盎司的铜

它的面积这个面积要小

PCB 的面积比较小

这个 PCB 的面积要大很多

大家可以看到我在这里面有一个数据

就是说我用这个热成像仪测量

它的这个表面温度的时候

我会发现对于这个小板或者这个材质上面

或者说布铜上面都相对来讲偏比较差一点

或者 PCB 板本身面积比较小的来讲

它有 108℃

这个它只有 74℃

但同样的这个结温肯定要比这个结温要低很多

那么可靠性上讲

这个肯定要比它好很多

同时对 PCB 板

它本身这个 PCB 板的边缘的温度是 26℃

这个温度有 45℃

那就说到这个计算这个设计这个 PCB 板

还有计算这个功耗上面

我们其实有一个工具

这个叫 WEBENCH 的工具

一个是我们变压器的设计上它也会有

第二个就是说我们在 DC/DC

其实这个 DC/DC 上面我们有很多

除了这个热在上面可以得到评估之外

剩下还有就是说我们在设计环路的时候

一些相位就是稳定性、瞬态特性、启动纹波

都可以在上面做

还有你在上面如果你不知道你要选哪一颗料

你可以到这上面

把你的需求输到我们的 WEBENCH 上面去

它就可以给你一系列的推荐

你在上面找到适合你的这个产品就 OK 了

那这个我希望大家好好听

下面我们有一个就是真实的在应用中的一个案例

希望大家等一下帮我找一下中间的一些问题在哪里

那这一点就是说这是我们一个铜皮

本身我是一个完整的铜皮

但是出于某些原因

我对这个铜皮进行了一个挖孔

这个这部分断裂了

那断裂之后

原来我的一个散热特性是非常好的

但是挖开了之后

因为这个传热它是有一个连续性的

就是你这个断裂了之后

我这个热虽然还是可以传递到你这边

这个铜皮还可以传递到这个原来

它可以通过空气的对流

然后或者通过底板的传递都可以

但是它的这个把这个挖了一个槽之后

它的这个就会产生一个热阻的系数

热阻它的导热能力就没有原来那么强

那这个系数就是说它会与一个常数有关

这是一个系数同时与你这个槽的宽度

可能这是一个常识了

就是说如果你这个槽很宽往后移

它这个这部分热可能就传递不到这里来

所以 W 和这个 L 这些系数都是有很大关系

L 越大这个系数就越高

W 和 T 这个厚度也是有一个成反比的

所以大家在设计 PCB 的时候

尽量不要在有散热

就是高功率的地方挖这些长槽

让你这个成一个隔离岛

这个散热是非常不好的

那问题就来了

那这一块

大家注意看到我这一块

这一个是只有散热片的一个 IC

这颗 IC 本身它的散热特性是非常好的

但是我们在设计 PCB 的时候

大家在这个上面给我找一下

就是我们基于我们刚才讲的这些

看看我哪一个就是这一块

我哪里设计的不太好

出现了什么问题

就是说应该怎么样去优化它

就在这一块

这个 IC 大家可以不用管

这个是 IC 翻过来之后的一个情况

本身它是放在这一块的

有没有知道这一块有出现什么问题

那这个就是说大家看我们刚才讲的这个挖槽了

这边有一些孔

大家看这有个隔离岛

因为我 IC 本来是翻过来就是焊到这上面的

大家看这两边它都进行了一个挖孔

虽然它铺了铜

打了这个铝在上面了

但是它把这个挖开了

看到没有

它把这个挖了一个槽把这个隔离了

那么这个热本身我可以从这传递上来的

但是现在我传递不上去了

或者说这个传递能力减弱了

那它的散热就很差了

本身可以做得很好

如果这个不去掉

它本来这个放着可能也是有散热的作用

但是它现在这个作用已经大大打折扣

这就是说我们在设计中一个实例

在我们在就是说客户说它温升比较高

然后我们拿回来

后来发现反映这个问题

然后把这些槽全部重新改版

它的温升这个温度就降了很多

所以这就是我们设计中的

或者说在应用中用到一个真实的例子

这是它的一个在布局的时候

它打了一个槽这两边

尽量避免这种事情发生

刚才讲我们这个软件

这个软件其实我们内部也有做

就是说模拟这部分

这个板子它的一个温度的特性

我们知道这里有工具

这有个温度计的一个标志

它是可以评估

就是你输入你的一个应用的条件

然后它就可以模拟你这个各部位板的温度

PCB 板的温度

你的电感、电容、电阻

IC 它的温度处于一个什么级别

它可以直接在右侧可以看得出来

我们的下一页这个地方就有了

这是我们一个真实的一个表

就是不同的颜色对应不同的温度

然后我们可以模拟出它大概的一个 PCB 板

大家可以看到这个是 81℃

然后 IC 是 75℃

电感是多少度

你二极管是多少度

输出电容、输入电容

然后它大概功耗都给大家做一个计算

所以如果对这个感兴趣的

或者说你有新的设计

你可以不妨试一下

非常好用的一个工具

然后刚才说到一个孔

我们打孔就是我们说打的孔越多越好

但这里我们就这里我们就给大家讲一下

就是这个孔通常情况下

我们这个竖的孔它的这个传导能力就比较好

如果我们不考虑空气

在这个孔上面的一个流动的话

我们尽量把这个做小一点

然后就是这个内径做的小

因为内径做的小打的孔就越多

然后同时大家可以看

通过这个公式来计算一下这个热阻 L 可以短一点

因为它短一点

它可以更好地传递到下层去

然后这个截面积等等这些系数的影响

另外一个在我们布板的时候

其实我们的芯片也好

或者是其他任何一个热源

它都是有一个覆盖范围的

比如说我这是我的一颗 IC

这是 IC

它的热是周围分布均匀分布

不是均匀分布

是这个阶梯形分布的

那它是有一个范围

如果你这里再放一个 IC

这种情况的话

你这个散热这部分它就会交叠的

它有交叠的话

就这颗 IC 它本身的一个散的这个热

它会影响到另外一颗的情况

所以大家在设计的时候

你尽量把这个放在

我们这里就是说你至少

要大于你这个 IC 的面积的两倍

就说距离这个 IC 是

比如说你整个封装是 30mm 的

那你就放至少放 60mm 吧

来放你的 IC

不要让你这个热的这个东西出现交叠了

尽量避免

这是我们就是在真实的做一个测试

这是两个 IC 之间的距离是 50mm

然后测得这每个 IC 的温度

它是 81.6℃

如果我们把这个距离减半

它的温度增加 3℃

可能这大家还可以接受

但是再看一下这边

再往后边来

你再放 12.5

它的温升就增加了 8℃

再往近移它就是 98.4℃ 了

那这两个的差异就有 17℃

所以大家在这种热源的计算上

尤其是你放这种越来越多的

比如说 LDO 也好

你的 DC/DC 这个开关电源的这个芯片也好

或者是你分离的 MOS 管也好

那这种尽量要放在距离上面

也要注意一下

其他的一些因素

就是说空气的流动

或者是说你的一些 PCB 的这个材质

在这里我就不再做详细的介绍

这边就是说我们 PCB 和系统设计一个好的选择

就是说首先你评估一下

你这个 IC 它的一个功耗是多大

然后通过这个功耗

然后再去选择相应的这颗 IC 的封装形式

不同的封装它的散热相对来讲比较差的

然后大家可以看到我这颗 IC

这颗 IC 上面就是说

我这边有很多刚才说的有很多孔

孔序列很多

其实这些孔序列就是跟底板相连

然后通过底板的铜皮进行散热

这里不要做任何隔断

这些孔尽量也要接到我这个

比方说一般的情况下

就像我们在做这些大功率的应用上面

我们一般会在电容的上层的地和下层的地打一部分的孔

有助于它的散热

然后增加这个 PCB 板的这个厚度

如果你能用两盎司

就用个两盎司

然后让它这个热性能要差一点

而且对你 IC 来讲

它的这个性能也会更好

它的参数也不会变化那么多

最后第四部分我想给大家介绍一下

就是这个刚才讲了这个热的一些基本的一些知识

我想这里就是我们 PCB 该如何进行设计

我想这里大家可能要注意一下

就是说后面我们有个问题就是关于 PCB 布板

我想这是对大家在应用上面

也可能要注意的一些东西

这一块大家可以看到这是一个 PCB 的一个剖面图

这边是我的一个 IC 一个引脚

然后这个打了一个过孔到底板

横向的热量横向的一个传导

这个过孔通过上面把这个热传导下来之后

传到底板上面

传到底板之后

这里有两部分组成

第一部分它就会出现一个

就是说同一个物体之间

它会传到底板上

底板上因为两边的温度可能会有温差

两层这个板的中心位置和两边之间有一个偏差

所以它这个就会出现一个热量的一个传递

然后最后它同时它会通过底板

把这个热量散发到空气中

所以这是大概的一个传递图

当然了这个地方我没有完全画完

那这一块它是可以通过 Pin 脚进行热量的散发

同时或者把这个通过上盖

把这个热量散到空气中

所以我们在设计中大家可以看到

这个孔是非常重要的

所以在你的设计中能打孔的地方

就是说 IC 的附近尽量多打一些

和下面的铜皮有更多的接触

它的热量会散到底层去

同时因为大家知道

金属的传热能力是非常强的

所以如果可以或者是在你的成本

在你的控制范围之内的

你可以尽量多打一些铜皮

尽量用厚一点的铜皮

它的传导的能力会强很多

同时在这些板材上

普通的 FR4 这种板材的话

它的散热能力是比较差的

但是最好就是说 FR4 上面

或者你要补铜的，补金属层的

或者说用一些更好的板材来做它

这个就是说刚才前面有提到

是单层板和四层板它一个差异

这边就是它的一个 θJA 的一个比

这是这一个就是我们的不同的封装

横轴是不同的封装

纵轴就是它的一个热阻

结温和空气之间的这个热阻

右边就是两种

一层板，低 K 的

和四层板，高 K 的

它的这个漂移这个比值

其实就是这两个一个大概比值

这是一个实例

就是说我们在测试的过程中

这是一个 22966 的一边板

我们做两块

第一块我们是采用的是两层

然后一盎司的铜

第二块我们采用八层

也是一盎司的铜

它的面积这个面积要小

PCB 的面积比较小

这个 PCB 的面积要大很多

大家可以看到我在这里面有一个数据

就是说我用这个热成像仪测量

它的这个表面温度的时候

我会发现对于这个小板或者这个材质上面

或者说布铜上面都相对来讲偏比较差一点

或者 PCB 板本身面积比较小的来讲

它有 108℃

这个它只有 74℃

但同样的这个结温肯定要比这个结温要低很多

那么可靠性上讲

这个肯定要比它好很多

同时对 PCB 板

它本身这个 PCB 板的边缘的温度是 26℃

这个温度有 45℃

那就说到这个计算这个设计这个 PCB 板

还有计算这个功耗上面

我们其实有一个工具

这个叫 WEBENCH 的工具

一个是我们变压器的设计上它也会有

第二个就是说我们在 DC/DC

其实这个 DC/DC 上面我们有很多

除了这个热在上面可以得到评估之外

剩下还有就是说我们在设计环路的时候

一些相位就是稳定性、瞬态特性、启动纹波

都可以在上面做

还有你在上面如果你不知道你要选哪一颗料

你可以到这上面

把你的需求输到我们的 WEBENCH 上面去

它就可以给你一系列的推荐

你在上面找到适合你的这个产品就 OK 了

那这个我希望大家好好听

下面我们有一个就是真实的在应用中的一个案例

希望大家等一下帮我找一下中间的一些问题在哪里

那这一点就是说这是我们一个铜皮

本身我是一个完整的铜皮

但是出于某些原因

我对这个铜皮进行了一个挖孔

这个这部分断裂了

那断裂之后

原来我的一个散热特性是非常好的

但是挖开了之后

因为这个传热它是有一个连续性的

就是你这个断裂了之后

我这个热虽然还是可以传递到你这边

这个铜皮还可以传递到这个原来

它可以通过空气的对流

然后或者通过底板的传递都可以

但是它的这个把这个挖了一个槽之后

它的这个就会产生一个热阻的系数

热阻它的导热能力就没有原来那么强

那这个系数就是说它会与一个常数有关

这是一个系数同时与你这个槽的宽度

可能这是一个常识了

就是说如果你这个槽很宽往后移

它这个这部分热可能就传递不到这里来

所以 W 和这个 L 这些系数都是有很大关系

L 越大这个系数就越高

W 和 T 这个厚度也是有一个成反比的

所以大家在设计 PCB 的时候

尽量不要在有散热

就是高功率的地方挖这些长槽

让你这个成一个隔离岛

这个散热是非常不好的

那问题就来了

那这一块

大家注意看到我这一块

这一个是只有散热片的一个 IC

这颗 IC 本身它的散热特性是非常好的

但是我们在设计 PCB 的时候

大家在这个上面给我找一下

就是我们基于我们刚才讲的这些

看看我哪一个就是这一块

我哪里设计的不太好

出现了什么问题

就是说应该怎么样去优化它

就在这一块

这个 IC 大家可以不用管

这个是 IC 翻过来之后的一个情况

本身它是放在这一块的

有没有知道这一块有出现什么问题

那这个就是说大家看我们刚才讲的这个挖槽了

这边有一些孔

大家看这有个隔离岛

因为我 IC 本来是翻过来就是焊到这上面的

大家看这两边它都进行了一个挖孔

虽然它铺了铜

打了这个铝在上面了

但是它把这个挖开了

看到没有

它把这个挖了一个槽把这个隔离了

那么这个热本身我可以从这传递上来的

但是现在我传递不上去了

或者说这个传递能力减弱了

那它的散热就很差了

本身可以做得很好

如果这个不去掉

它本来这个放着可能也是有散热的作用

但是它现在这个作用已经大大打折扣

这就是说我们在设计中一个实例

在我们在就是说客户说它温升比较高

然后我们拿回来

后来发现反映这个问题

然后把这些槽全部重新改版

它的温升这个温度就降了很多

所以这就是我们设计中的

或者说在应用中用到一个真实的例子

这是它的一个在布局的时候

它打了一个槽这两边

尽量避免这种事情发生

刚才讲我们这个软件

这个软件其实我们内部也有做

就是说模拟这部分

这个板子它的一个温度的特性

我们知道这里有工具

这有个温度计的一个标志

它是可以评估

就是你输入你的一个应用的条件

然后它就可以模拟你这个各部位板的温度

PCB 板的温度

你的电感、电容、电阻

IC 它的温度处于一个什么级别

它可以直接在右侧可以看得出来

我们的下一页这个地方就有了

这是我们一个真实的一个表

就是不同的颜色对应不同的温度

然后我们可以模拟出它大概的一个 PCB 板

大家可以看到这个是 81℃

然后 IC 是 75℃

电感是多少度

你二极管是多少度

输出电容、输入电容

然后它大概功耗都给大家做一个计算

所以如果对这个感兴趣的

或者说你有新的设计

你可以不妨试一下

非常好用的一个工具

然后刚才说到一个孔

我们打孔就是我们说打的孔越多越好

但这里我们就这里我们就给大家讲一下

就是这个孔通常情况下

我们这个竖的孔它的这个传导能力就比较好

如果我们不考虑空气

在这个孔上面的一个流动的话

我们尽量把这个做小一点

然后就是这个内径做的小

因为内径做的小打的孔就越多

然后同时大家可以看

通过这个公式来计算一下这个热阻 L 可以短一点

因为它短一点

它可以更好地传递到下层去

然后这个截面积等等这些系数的影响

另外一个在我们布板的时候

其实我们的芯片也好

或者是其他任何一个热源

它都是有一个覆盖范围的

比如说我这是我的一颗 IC

这是 IC

它的热是周围分布均匀分布

不是均匀分布

是这个阶梯形分布的

那它是有一个范围

如果你这里再放一个 IC

这种情况的话

你这个散热这部分它就会交叠的

它有交叠的话

就这颗 IC 它本身的一个散的这个热

它会影响到另外一颗的情况

所以大家在设计的时候

你尽量把这个放在

我们这里就是说你至少

要大于你这个 IC 的面积的两倍

就说距离这个 IC 是

比如说你整个封装是 30mm 的

那你就放至少放 60mm 吧

来放你的 IC

不要让你这个热的这个东西出现交叠了

尽量避免

这是我们就是在真实的做一个测试

这是两个 IC 之间的距离是 50mm

然后测得这每个 IC 的温度

它是 81.6℃

如果我们把这个距离减半

它的温度增加 3℃

可能这大家还可以接受

但是再看一下这边

再往后边来

你再放 12.5

它的温升就增加了 8℃

再往近移它就是 98.4℃ 了

那这两个的差异就有 17℃

所以大家在这种热源的计算上

尤其是你放这种越来越多的

比如说 LDO 也好

你的 DC/DC 这个开关电源的这个芯片也好

或者是你分离的 MOS 管也好

那这种尽量要放在距离上面

也要注意一下

其他的一些因素

就是说空气的流动

或者是说你的一些 PCB 的这个材质

在这里我就不再做详细的介绍

这边就是说我们 PCB 和系统设计一个好的选择

就是说首先你评估一下

你这个 IC 它的一个功耗是多大

然后通过这个功耗

然后再去选择相应的这颗 IC 的封装形式

不同的封装它的散热相对来讲比较差的

然后大家可以看到我这颗 IC

这颗 IC 上面就是说

我这边有很多刚才说的有很多孔

孔序列很多

其实这些孔序列就是跟底板相连

然后通过底板的铜皮进行散热

这里不要做任何隔断

这些孔尽量也要接到我这个

比方说一般的情况下

就像我们在做这些大功率的应用上面

我们一般会在电容的上层的地和下层的地打一部分的孔

有助于它的散热

然后增加这个 PCB 板的这个厚度

如果你能用两盎司

就用个两盎司

然后让它这个热性能要差一点

而且对你 IC 来讲

它的这个性能也会更好

它的参数也不会变化那么多