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    那块着火的电路板:PCB设计之热管理

    May 15, 2018

           我记得第一次(也是唯一的一次)我的一个电路着火了。它从电阻开始噗的一声冒烟并迅速传播到附近的电容。幸运的是,破坏很小,大部分元件都可以挽救。也许你会问为什么会这样?是不是发生了短路?其实很简单,我没有考虑PCB上的高电流。我记得那是我刚参加工作的时候,在某研究所为船舶用高压共轨电喷系统开发电控单元和喷嘴驱动系统。着火部位位于继电器开关的MOS管驱动电路。幸亏当时我是在面包板上搭建驱动模块,其中选用的一个电阻功率不够。我需要一个1到2瓦的大个电阻,结果当时手头没有,就随便拿了个常用的四分之一瓦同样阻值电阻试试。结果一上电就噗的一声烧黑掉了!吓死人啊亲娘的,非常感谢当时的领导,和蔼可亲地说:“没关系,你们电子专业可以大胆尝试,允许犯错,不断改进。不像我们是机械和内燃机专业,多人大系统,犯错成本高,改动不方便。”这种鼓励是跨行业领导的魅力,闪闪发光!

          上图为色环电阻的型号,功率及大小。

          上图为各种不同功率大小的电阻实物图。

          言归正传。随着电子产品继续小型化,随着更多功能被装入更小的设备,这些系统的散热需求也随之增加。在高电流下工作的PCB尤其如此。特别是负载重的电源系统,例如电动汽车中使用的锂离子电池,需要集成在PCB上的电源管理系统。以及大电流的驱动电路,都需要着重考虑散热。设计师需要实施创意策略来管理大电流PCB中产生的热量。

          承载大电流的电路中功耗损失所产生的热量应梳离发热器件以对抗温升。大家都可能熟悉电脑处理器上使用的风扇和散热片。这些措施都可以从电路板转移热量,并与流通的空气交换热量。但在某些PCB器件中,尤其是小尺寸器件,可能无法安装风扇或散热片。这就需要考虑其它的散热途径。

    采用更厚的铜用于大电流

           铜走线和过孔的电阻会导致基于PCB的器件发生显着的功率损耗和发热,特别是当它们承载大电流时。 具有较大横截面积的电气连接具有较低的电阻,这减少了热量损失的量。

          大多数PCB使用的铜量相当于约1盎司每平方英尺。 当不方便使用风扇或散热片的时候,可以采取增加铜厚的方式。一个高电流的PCB应该使用至少两倍的铜量。 工作电流超过10安培的电路应该高达3或4盎司每平方英尺。

           PCB板的铜厚都是用oz来计算,1oz意思是1平方英尺的面积上平均铜箔的重量在28.35g,oz是单位ounce的缩写,音译为“盎司”,它是英制计量单位,作为重量单位时也称为英两。它是用单位面积的重量来表示铜箔的平均厚度。用公式来表示即,1OZ=28.35g/ FT2。

          重量单位:1oz=28.35g(克) 1盎司=16打兰(dram) 16盎司=1磅(pound)

          换算方法介绍:铜箔的重量除以铜的密度和表面积即为铜箔厚度。

          1平方英尺=929.0304平方厘米,铜密度=8.9kg/dm^3

          设Copper厚为X,解方程:

    X*929.0304平方厘米*8.9克/立方厘米=1oz=28.35克 X=0.0034287厘米=34.287um

          所以1oz=34.287um。1OZ铜箔的厚度约为35um或者1.35mil。

          上图为1oz的铜厚PCB上通过电流与导线宽度的曲线表。供参考。

          使用更大量的铜就需要增加PCB上走线的宽度。 为了避免占用太大空间区域,导线也可以更深地嵌入放置在电路板中。比如放置导铜条。 这也有助于将热量散发到电路板本身和任何附近的散热孔中。 当然,这可能需要使用较厚的电路板,此种情况适用于大电流设备。

    使用散热孔和散热垫片

          发热器件周围的空气如果没有流动就不能有效地疏通并发散热量。 而使用散热孔可以将热量从电路板中的关键电子元件转移出去。 散热通孔是电路板顶层和底层之间的良好导热元件。 热量可以通过简单的传导转移到散热通孔,然后散热通孔可以将热量从关键电子元器件疏散开来。

          散热垫片一般是安装在电路板底层的一块金属板。 散热孔将热量从电路板本身的最热点传递出去后,必须到其他位置以进一步从电路板最热点发散热量。 一般情况下,散热孔将热量传递到散热垫片进行大面积散热。

          下图为在大电流下运行的PCB板的红外图像:

    高功率器件的布局

          像微控制器这样的高电流电子元件会产生大量的热量。 将这些元件安装在电路板的中心位置附近是个好主意。

          如果元件安装在电路板边缘附近,则其产生的热量会累积,局部温度会非常高。 但是,如果元件安装在电路板的中间部分,热量会扩散到整个电路板中,电路板的温度将会降低。

          多个高功率元件应分散布局在整个电路板上,而不是集中在一个位置。 如果器件的外形尺寸能够允许的情况下,甚至可以将不同的元件分开布局到不同的PCB板。 在元件布局的时候要权衡再三,因为它一方面关系到整个电路板的功能实现,一方面考虑到散热和机械匹配,另外还要考虑到可能会对您的制造预算产生的影响。

       

    采用更厚的板

          当元器件在极端温度下运行时,其电气连接,元件和电路板本身的寿命都会相应缩短。计算机硬件行业已经用冷却风扇减少了这个问题的风险。但是当风扇不起作用时,大部分热量直接进入电路板和周围的元器件。这时如果电路板很薄,一切都会升温到很高的温度。

          较厚的电路板在整体温度被升高时将会需要更多的热能。这样较厚的电路板有助于保持电路板顶部的温度较低。如果电路板直接安装到外壳上,可以将热量传导到设备的外部。但是这种解决方案有可能会使得生产加工成本更高。所以在应用的时候需要适当权衡。

          下面给大家看一下我们之前做的部分硬件中采用的不同板厚。

          上图为物联网项目中使用的Wifi模块,采用0.6mm板厚。

           上图是用于FPGA硬件开发的JTAG-USB适配器,以及其他信号转换模块,非大电流高发热电路。采用1.0mm板厚。板上子板作为类似器件的小模块,开半孔,边缘镀金包边,整块板作为模块焊接到母板上。子板和母板都是1.0mm板厚。

           上图是常规电源板1.6mm板厚。这个1.6mm是一般板厂的默认厚度,如果没有特殊说明,就默认为此1.6mm。而且加工费用1.6mm是临界点。1.6mm以内不另外加特殊板厚附加费。

          上图为带有Wifi模块可智能远程控制开关的电源插座。母板电源板采用2.0mm板厚。2.0mm为加厚板制造工艺。该板厚即考虑到小空间大电流高发热的情况。

           要采用的最佳散热策略取决于许多因素。并非所有设计或外形因素都可以适应上述所有策略。例如,散热垫片不适用于双面印刷电路板。如果电路板上有大量元件,其中一些元件将不可避免地要被放置在电路板的边缘附近。

           Altium Designer软件工具提供相应的热管理方面的高级功能,可以让您可视化PCB中潜在的发热点。 强大的PDN分析工具使设计人员能够识别可能导致高电流设备故障的故障部位。有兴趣可与Altium的专家取得联系,了解更多信息。

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