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    PCB設計如何做好熱管理?

    發布時間 :2020-10-21 17:17 閱讀 : 來源 :技術文章責任編輯 :深圳宏力捷PCB設計部
    深圳宏力捷電子是一家專業從事電子產品電路板設計(layout布線設計)的PCB設計公司,主要承接多層、高密度的PCB設計畫板及電路板設計打樣業務。接下來為大家介紹PCB設計如何做好熱管理。
     
    深圳PCB設計公司
     
           隨著電子產品繼續小型化,隨著更多功能被裝入更小的設備,這些系統的散熱需求也隨之增加。在高電流下工作的PCB尤其如此。特別是負載重的電源系統,例如電動汽車中使用的鋰離子電池,需要集成在PCB上的電源管理系統。以及大電流的驅動電路,都需要著重考慮散熱。PCB設計師需要實施創意策略來管理大電流PCB中產生的熱量。
     
           承載大電流的電路中功耗損失所產生的熱量應梳離發熱器件以對抗溫升。大家都可能熟悉電腦處理器上使用的風扇和散熱片。這些措施都可以從電路板轉移熱量,并與流通的空氣交換熱量。但在某些PCB器件中,尤其是小尺寸器件,可能無法安裝風扇或散熱片。這就需要考慮其它的散熱途徑。
     
    承載大電流的電路中功耗損失所產生的熱量應梳離發熱器件以對抗溫升。大家都可能熟悉電腦處理器上使用的風扇和散熱片。
     

    一、采用更厚的銅用于大電流

     
           銅走線和過孔的電阻會導致基于PCB的器件發生顯著的功率損耗和發熱,特別是當它們承載大電流時。具有較大橫截面積的電氣連接具有較低的電阻,這減少了熱量損失的量。
     
          大多數PCB使用的銅量相當于約1盎司每平方英尺。當不方便使用風扇或散熱片的時候,可以采取增加銅厚的方式。一個高電流的PCB應該使用至少兩倍的銅量。工作電流超過10安培的電路應該高達3或4盎司每平方英尺。
     
           PCB板的銅厚都是用oz來計算,1oz意思是1平方英尺的面積上平均銅箔的重量在28.35g,oz是單位ounce的縮寫,音譯為“盎司”,它是英制計量單位,作為重量單位時也稱為英兩。它是用單位面積的重量來表示銅箔的平均厚度。用公式來表示即,1OZ=28.35g/ FT2。
          重量單位:1oz=28.35g(克) 1盎司=16打蘭(dram) 16盎司=1磅(pound)
          換算方法介紹:銅箔的重量除以銅的密度和表面積即為銅箔厚度。
          1平方英尺=929.0304平方厘米,銅密度=8.9kg/dm^3
          設Copper厚為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銅箔的厚度約為35um或者1.35mil。
     
    1oz的銅厚PCB上通過電流與導線寬度的曲線表
     
          上圖為1oz的銅厚PCB上通過電流與導線寬度的曲線表。供參考。
     
          使用更大量的銅就需要增加PCB上走線的寬度。為了避免占用太大空間區域,導線也可以更深地嵌入放置在電路板中。比如放置導銅條。這也有助于將熱量散發到電路板本身和任何附近的散熱孔中。當然,這可能需要使用較厚的電路板,此種情況適用于大電流設備。
     

    二、使用散熱孔和散熱墊片

     
          發熱器件周圍的空氣如果沒有流動就不能有效地疏通并發散熱量。而使用散熱孔可以將熱量從電路板中的關鍵電子元件轉移出去。散熱通孔是電路板頂層和底層之間的良好導熱元件。熱量可以通過簡單的傳導轉移到散熱通孔,然后散熱通孔可以將熱量從關鍵電子元器件疏散開來。
     
          散熱墊片一般是安裝在電路板底層的一塊金屬板。散熱孔將熱量從電路板本身的最熱點傳遞出去后,必須到其他位置以進一步從電路板最熱點發散熱量。一般情況下,散熱孔將熱量傳遞到散熱墊片進行大面積散熱。
     
          下圖為在大電流下運行的PCB板的紅外圖像:
     
    在大電流下運行的PCB板的紅外圖像
     

    三、高功率器件的布局

     
          像微控制器這樣的高電流電子元件會產生大量的熱量。將這些元件安裝在電路板的中心位置附近是個好主意。
          如果元件安裝在電路板邊緣附近,則其產生的熱量會累積,局部溫度會非常高。但是,如果元件安裝在電路板的中間部分,熱量會擴散到整個電路板中,電路板的溫度將會降低。
          多個高功率元件應分散布局在整個電路板上,而不是集中在一個位置。如果器件的外形尺寸能夠允許的情況下,甚至可以將不同的元件分開布局到不同的PCB板。在元件布局的時候要權衡再三,因為它一方面關系到整個電路板的功能實現,一方面考慮到散熱和機械匹配,另外還要考慮到可能會對您的制造預算產生的影響。
     
    一方面考慮到散熱和機械匹配,另外還要考慮到可能會對您的制造預算產生的影響。

    四、采用更厚的板

     
          當元器件在極端溫度下運行時,其電氣連接,元件和電路板本身的壽命都會相應縮短。計算機硬件行業已經用冷卻風扇減少了這個問題的風險。但是當風扇不起作用時,大部分熱量直接進入電路板和周圍的元器件。這時如果電路板很薄,一切都會升溫到很高的溫度。
     
          較厚的電路板在整體溫度被升高時將會需要更多的熱能。這樣較厚的電路板有助于保持電路板頂部的溫度較低。如果電路板直接安裝到外殼上,可以將熱量傳導到設備的外部。但是這種解決方案有可能會使得生產加工成本更高。所以在應用的時候需要適當權衡。
     
          下面給大家看一下我們之前做的部分硬件中采用的不同板厚。
     
    我們之前做的部分硬件中采用的不同板厚
     
          上圖為物聯網項目中使用的Wifi模塊,采用0.6mm板厚。

    用于FPGA硬件開發的JTAG-USB適配器,以及其他信號轉換模塊,非大電流高發熱電路。
     
           上圖是用于FPGA硬件開發的JTAG-USB適配器,以及其他信號轉換模塊,非大電流高發熱電路。采用1.0mm板厚。板上子板作為類似器件的小模塊,開半孔,邊緣鍍金包邊,整塊板作為模塊焊接到母板上。子板和母板都是1.0mm板厚。
     
    常規電源板1.6mm板厚。這個1.6mm是一般板廠的默認厚度,如果沒有特殊說明,就默認為此1.6mm。
     
           上圖是常規電源板1.6mm板厚。這個1.6mm是一般板廠的默認厚度,如果沒有特殊說明,就默認為此1.6mm。而且加工費用1.6mm是臨界點。1.6mm以內不另外加特殊板厚附加費。
     
    帶有Wifi模塊可智能遠程控制開關的電源插座。
     
          上圖為帶有Wifi模塊可智能遠程控制開關的電源插座。母板電源板采用2.0mm板厚。2.0mm為加厚板制造工藝。該板厚即考慮到小空間大電流高發熱的情況。
     
           要采用的最佳散熱策略取決于許多因素。并非所有PCB設計或外形因素都可以適應上述所有策略。例如,散熱墊片不適用于雙面印刷電路板。如果電路板上有大量元件,其中一些元件將不可避免地要被放置在電路板的邊緣附近。
     
           Altium Designer軟件工具提供相應的熱管理方面的高級功能,可以讓您可視化PCB中潛在的發熱點。強大的PDN分析工具使PCB設計人員能夠識別可能導致高電流設備故障的故障部位。
     
    深圳PCB設計公司.
     

    深圳宏力捷PCB設計服務流程

    1. 客戶提供原理圖咨詢PCB設計;
    2. 根據原理圖以及客戶設計要求評估報價;
    3. 客戶確認報價,簽訂合同,預付項目定金;
    4. 收到預付款,安排工程師設計;
    5. 設計完成后,提供文件截圖給客戶確認;
    6. 客戶確認OK,結清余款,提供PCB設計資料。


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