大功率PCB的散热设计指南

无论是使用电力电子设备，嵌入式系统，工业设备，还是设计新的主板，都必须应对系统中的温度上升问题。持续高温运行会缩短电路板寿命，甚至可能导致系统某些关键点出现故障。在设计过程中尽早考虑散热，有助于延长电路板和组件的使用寿命。

散热设计从估算工作温度开始

在开始新设计之前，需要考虑电路板运行的温度，电路板的工作环境以及组件的功耗。这些因素共同作用，可以确定电路板和组件的工作温度。这也将有助于定制散热的策略。

将电路板放在环境温度较高的环境中会使其保持更多的热量，因此它将在较高的温度下运行。耗散更多功率的组件将需要更高效的冷却方法，好将温度保持在设定水平。重要的行业标准可能会规定操作期间组件和基板的最高温度。

在设计散热管理策略之前，请务必检查数据表中组件的允许工作温度以及重要行业标准中的规定温度。需要将主动和被动冷却与正确的电路板布局结合起来，以便防止损坏电路板。

主动冷却与被动冷却：哪种适合你的电路板？

这是任何设计师都应考虑的重要问题。通常，当环境温度远低于工作温度时，被动冷却效果最佳。系统与环境之间的热梯度会很大，从而迫使较大的热流从您的组件和电路板本身散发出去。使用主动冷却，即使环境温度更高，也可以根据主动冷却系统提供更好的降温效果。

被动冷却 ·
应尝试将有源组件的被动冷却降至最低水平，好让热量散布到接地层中。许多有源组件包括位于封装底部的散热垫，允许热量通过缝合过孔散发到附近的接地层。然后，这些缝合通孔一直延伸到组件下方的铜垫。有一些 PCB 计算器可以用于估计组件下方所需的铜垫的大小。

显然，组件下方的铜垫不能延伸超出实际组件的边缘，因为这会干扰表面安装垫或通孔引脚。如果单个垫不能将温度降低到所需水平，则可能需要在设备顶部添加散热器以散发更多的热量。还可以使用导热垫或导热膏增加进入散热器的热通量。

蒸发冷却是另一种选择。但是，蒸发冷却组件非常笨重，因此不适用于许多系统。如果系统泄漏或破裂，则整个板上都会有液体泄漏。此时，不妨采用主动冷却方法，提供相同或更好的散热效果。

主动散热 ·
如果您需要进一步降低诸如 FPGA，CPU 或其他具有高开关速度的有源组件的温度，则当被动冷却无法解决问题时，可能需要使用风扇进行主动冷却。风扇并不是一直以全速运转，有时甚至可能不会打开。温度较高的组件和产生更多热量的组件需要风扇以更快的速度运行。

风扇嘈杂，因为 PWM 信号会因开关而产生一些噪声。开发板将需要一个电路来生成 PWM 信号以控制风扇速度，还需要一个传感器来测量相关组件的温度。带有电子开关控制器的交流驱动风扇还会在基本开关频率和每个高次谐波处产生辐射 EMI。如果使用风扇，附近的走线组件将需要具有足够的噪声抑制 / 抗扰度。

还可以使用冷却液或制冷剂等主动冷却系统提供大量的冷却。这是一种不常见的解决方案，因为它需要泵或压缩机才能使冷却液或制冷剂流过系统。例如，在高性能游戏计算机中使用水冷系统来冷却 GPU。

最后
一些简单的热设计指南

在信号走线下方使用接地层可改善信号完整性和噪声抑制性能，它还可以充当散热器。带有导热垫的组件可将缝合过孔向下延伸至接地层，这将使接地层更容易耗散表面层的热量。然后，在表层上的迹线中产生的热量很容易散发到接地层中。

载有大电流的走线，特别是直流电路中的走线，将需要具有更大的铜重量，以便在电路板上散发适量的热量。这可能需要比通常在高速或高频设备中使用的走线更宽的走线。几何形状会影响交流信号的走线阻抗，这意味着您可能需要更改堆叠，以使阻抗与信号标准或源 / 负载组件中定义的值保持匹配。

当心电路板中的热循环，因为在高和低值之间反复进行温度循环会导致应力累积在通孔和走线中。这会导致高纵横比的通孔中的管破裂。长时间循环还会在表面层上造成痕迹分层，从而破坏电路板。

审核编辑 黄昊宇