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[导读]本文主要讨论使用SW铺设PCB铜皮时,如何优化PCB的设计,来优化PCB的散热性能。

BUCK变换器多层PCB热设计技巧

实际的应用中,很多降压型BUCK变换器,通常要利用连接到相应管脚的大片PCB铜皮来散热:单芯片的BUCK电源IC,主要利用IC的GND管,焊接到PCB的GND铜皮来散热;部分内部封装分立MOSFET的BUCK电源IC,以及采用分立方案的BUCK器,如使用控制器驱动分立MOSFETPower Stage、Power Block或 DrMOS,都会利用开关节点SW对应的管脚,焊接到PCB的铜皮来散热。本文主要讨论使用SW铺设PCB铜皮时,如何优化PCB的设计,来优化PCB的散热性能。


前面研究过:器件散热管脚对应的PCB板铜皮的面积越大,总热阻就越低,器件的温升就越低,由于PCB板上其他元件及PCB本身尺寸的限制,散热铜皮铺设的面积也就受到限制。那么,对于多层PCB板,如何在各铺设铜皮,比较优化?


下面以一个使用开关节点SW管脚来散热的BUCK电源IC来研究这个问题,输入电压:12V,输出电压:5V,输出电流:4A,工作频率:500KHz,4层PCB板,1OZ覆铜。


PCB的设计1:开关节点SW管脚下面,4层PCB板设相应的SW铜皮,然后用多个过孔连接4层PCB的SW铜皮,特别是IC底部SW管脚下面,布设多个过孔


BUCK变换器多层PCB热设计技巧

图1:PCB的设计1


PCB的设计2:开关节点SW管脚下面,4层PCB板相应的SW铜皮,然后用多个过孔连接4层PCB的SW铜皮,但是,IC底部SW管脚下面没有布设过孔


BUCK变换器多层PCB热设计技巧

图2:PCB的设计2


PCB的设计3:开关节点SW管脚下面,只有PCB的设SW铜皮,其他对应的位置,镂空。


BUCK变换器多层PCB热设计技巧

图3:PCB的设计3


PCB的设计4:开关节点SW管脚下面,只有PCB板的顶层设SW铜皮,其他对应的位置都为GND皮平


BUCK变换器多层PCB热设计技巧

图4:PCB的设计4


测量4种条件下IC的温度,结果如图5、6、7、8所示。


BUCK变换器多层PCB热设计技巧

图5:PCB设计1IC温度


BUCK变换器多层PCB热设计技巧

图6:PCB设计2IC温度


BUCK变换器多层PCB热设计技巧

图7:PCB设计3IC温度

BUCK变换器多层PCB热设计技巧

图8:PCB设计4IC温度


由实验的结果,可以得到以下结论:


(1)电源IC芯片用来散热的管脚,使用大的散热铜皮和多层直接在散热管脚下面布设过孔连接这些多层,可以极大提高散热性能。但是,多层设SW铜,如果SW管脚下面不直接布设过孔,会极大影响散热性能


(2)多层PCB板,即使仅有设SW铜,只要第2设GND铜平面,可以达到多层设SW铜同样的散热效果。由于2的距离比较近,热量可以有效的通过传导和辐射的方式,到达2GDN平面,然后散出去;而且,这种设计对系统的干扰最小。


(3)只有孤岛的皮、下方镂空的设计,散热效果最差。

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