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    BUCK變換器多層PCB熱設計技巧

    發布時間:2019-12-30 責任編輯:xueqi

    【導讀】實際的應用中,很多降壓型BUCK變換器,通常要利用連接到相應管腳的大片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,如使用控制器驅動分立MOSFET、Power Stage、Power Block或 DrMOS,都會利用開關節點SW對應的管腳,焊接到PCB的銅皮來散熱。本文主要討論使用SW鋪設PCB銅皮時,如何優化PCB的設計,來優化PCB的散熱性能。
     
     
    前面研究過:器件散熱管腳對應的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,散熱銅皮鋪設的面積也就受到限制。那么,對于多層PCB板,如何在各層鋪設銅皮,比較優化?
     
    下面以一個使用開關節點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的設計1:開關節點SW管腳下面,4層PCB板每層都鋪設相應的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,布設多個過孔。
     
    圖1:PCB的設計1
     
    PCB的設計2:開關節點SW管腳下面,4層PCB板每層都鋪設相應的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管腳下面沒有布設過孔。
     
    圖2:PCB的設計2
     
    PCB的設計3:開關節點SW管腳下面,只有PCB的頂層鋪設SW銅皮,其他層對應的位置,鏤空。
     
    圖3:PCB的設計3
     
    PCB的設計4:開關節點SW管腳下面,只有PCB板的頂層鋪設SW銅皮,其他層對應的位置都為GND銅皮平面。
     
    圖4:PCB的設計4
     
    測量4種條件下IC的溫度,結果如圖5、圖6、圖7、圖8所示。
     
    圖5:PCB設計1的IC溫度
     
    圖6:PCB設計2的IC溫度
     
    圖7:PCB設計3的IC溫度
     
    圖8:PCB設計4的IC溫度
     
    由實驗的結果,可以得到以下結論:
     
    (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SW銅皮,如果SW管腳下面不直接布設過孔,會極大影響散熱性能。
     
    (2)多層PCB板,即使僅有頂層鋪設SW銅皮,只要第2層鋪設GND銅皮平面,可以達到多層鋪設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和輻射的方式,到達第2層GDN平面,然后散出去;而且,這種設計對系統的干擾最小。
     
    (3)只有頂層孤島的銅皮、下方鏤空的設計,散熱效果最差。

    來源:松哥電源  作者:劉松 王傳喜
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