解决电源模块散热问题的PCB设计

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。

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。

图1：包括两个20A输出的ISL8240M电路

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θ，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

图2：ISL8240MEVAL4Z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。

图3：ISL8240M电源模块使用的四层0.062”电路板的层叠排列

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。

式1：计算材料的热阻

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。

图4：1平方英寸电路板层的热阻

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。