【導讀】本文主要闡述了利用PCB設計來解決電源模塊的散熱問題的具體方法策略。具體步驟就是通過通孔布置最大化雙向電源模塊散熱性能來布局PCB。電源模塊則嚴格配置成單路40A雙相輸出和兩路20A單相輸出。通過通孔形式的電路板設計來為電源模塊散熱。
電源系統設計工程師總想在更小電路板面積上實現更高的功率密度，對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載的數據中心服務器和LTE基站來說尤其如此。為達到更高的輸出電流，多相系統的使用越來越多。為在更小電路板面積上達到更高的電流水平，系統設計工程師開始棄用分立電源解決方案而選擇電源模塊。這是因為電源模塊為降低電源設計復雜性和解決與DC/DC轉換器有關的印刷電路板（PCB）布局問題提供了一種受歡迎的選擇。
圖1：包括兩個20A輸出的ISL8240M電路
那么該電源模塊如何才能實現如此高的功率密度？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，這是因為其襯底使用了銅材料。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熱電路板上。該多層電路板有一個頂層走線層（電源模板安裝于其上）和利用通孔連接至頂層的兩個內埋銅平面。該結構有非常高的導熱系數（低熱阻），使電源模塊的散熱很容易。
為理解這一現象，我們來分析一下ISL8240MEVAL4Z評估板的實現（圖2）。這是一個在四層電路板上支持雙路20A輸出的電源模塊評估板。
圖2：ISL8240MEVAL4Z電源模塊評估板
該電路板有四個PCB層，標稱厚度為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
[page] 該PCB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熱系數。
SAC305*是最流行的無鉛焊料，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
為確定圖3中電路板頂部銅層的熱阻，我們取銅層的厚度（t）并除以導熱系數與截面積之積。為計算方便，我們使用1平方英寸作為截面積，這時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平方英寸電路板區域的厚度。系數k是銅的W/（in-°C）系數，其值等于9.因此，對于這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k系數，來計算每層1平方英寸電路板區域的熱阻。結果如圖4所示。
圖4：1平方英寸電路板層的熱阻
從這些數字，我們可知33.4密耳（t5）層的熱阻是最高的。圖4中的所有數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。如果我們添加一個從電路板頂層至底層的通孔連接會怎樣？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）。制造該通孔時先鉆一個直徑為0.014英寸的孔，然后鍍銅，這會在孔內側增加約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。我們在計算中忽略這些材料，只使用銅來確定通孔的熱阻
式2是計算圓柱形管熱阻的公式。
式2：計算圓柱形管熱阻
變量l是圓柱形管的長度，k是導熱系數，r1是較大半徑，r0是較小半徑。
對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沒有阻焊層，但對其他區域，PCB設計工程師可能要求在每個通孔的頂部放置阻焊層，否則通孔上面的區域會空缺。由于通孔只連接外銅層，所以其長度為63.4密耳（0.0634英寸）。總通孔長度本身的熱阻是167°C/W，如式3所示。
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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
請注意，這些值只是一個通孔本身的熱阻，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中各個電路板層的熱阻值，并將它們與一個通孔的熱阻值進行比較，似乎該通孔的熱阻比每層的熱阻高很多，但是請注意，一個通孔只占1平方英寸電路板區域的1/5000不到。如果我們決定比較更小的電路板區域，比如0.25英寸x0.25英寸（這是前面電路板區域的1/16），則圖4中的每個熱阻值將增加到原來的16倍。例如，t4和33.4密耳厚FR4層的熱阻會從5.21875°C/W增加至83.5°C/W.僅對該0.25英寸x0.25英寸區域添加一個通孔就會使穿過該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通孔的面積的約400倍。那么如果在該區域布置16個通孔會怎樣？與一個通孔相比，所有平行通孔的有效熱阻將減小16倍。圖7比較了各個0.25英寸x0.25英寸電路板層與16個通孔的熱阻。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個平行通孔具有5.6821°C/W的等效熱阻。
這16個通孔只占0.25英寸x0.25英寸電路板區域面積的不到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
請注意，當熱向下流過通孔并達到另一層時，特別是另一個銅層時，其將橫向擴散到該材料層。添加越來越多通孔最終會降低效果，因為從一個通孔橫向擴散到附近材料的熱最終會與來自另一個方向（源自從另一通孔）的熱相遇。ISL8240MEVAL4Z評估板的尺寸是3英寸x4英寸。電路板上的頂層和底層有2盎司銅，還有兩個內層各包含2盎司銅。為使這些銅層發揮作用，電路板有917個12密耳直徑的通孔，它們全都有助于將熱從電源模塊擴散到下面的銅層。
結語
為適應電壓軌數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計中的最優實現，已成為實現更高功率密度的一個越來越重要的因素。
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