浅谈元器件布局对PCB热设计的影响

元器件在 PCB 上的排列方式应遵循一定的规则，大量实践经验表明，采用合理的元器件排列方式，可以有效地降低 PCB 的温升，从而使元器件及 PCB 的故障率明显下降。

1. 元器件应安装在最佳自然散热的位置上，使传热通路尽可能的短。同一块 PCB 上的元器件应尽可能按其发热量大小及散热程度分区排列，发热量小或耐热性差的元器件（如小信号晶体管、小规模集成电路、电解电容等）放在冷却气流的最上游（入口处），发热量大或耐热性好的元器件（如功率晶体管、大规模集成电路等）放在冷却气流的最下游。元器件安装方向的横向面与风向平行，以利于热对流。

2. 发热元器件应尽可能地置于 PCB 的上方，条件允许时应处于气流通道上。发热量大的集成电路芯片，一般尽量放置在主 PCB 上，目的是为了避免底壳过热；如果放置在主 PCB 下，那么需要在芯片与底壳之间保留一定的空间，这样可以充分利用气体流动散热。

3. 对于采用自由对流空气冷却的开关电源，元器件热流通道要短、横截面积要大，通道中无绝热或隔热物。对于采用强制空气冷却的开关电源，最好是将功率器件（或其他元器件）按横长方式排列，以使传热横截面尽可能的大。

4.PCB 的热容量应均匀分布，不要把大功耗元器件集中布放。发热量大的元器件应分散安装，若无法避免，则要把矮的元器件放在气流的上游，并保证足够的冷却风量流经热耗集中区。冷却气流流速不大时，元器件按叉排方式排列，以提高气流紊流程度，增加散热效果。

5. 元器件在 PCB 上竖立排放、发热元器件不安装在机壳上时，元器件与机壳之间的距离应大于 35～40cm。在水平方向上，大功率器件尽量靠近 PCB 边缘布置，以便缩短传热路径；在垂直方向上，大功率器件尽量靠近 PCB 上方布置，以便减少它们工作时对其他元器件的影响。

6. 在元器件布局时应考虑到对周围热辐射的影响，对热敏感的元器件（含半导体器件）应远离热源或将其隔离。对于温度高于 30℃的热源，一般要求在自然冷却条件下，元器件离热源距离不小于 4mm。对温度比较敏感的元器件最好安置在温度最低的区域（如底部），不要将它放在发热元器件的正上方，多个元器件最好是在水平面上交错布局。

7. 开关电源 PCB 的散热主要依靠空气流动，所以在设计时要研究空气流动路径，合理配置元器件或 PCB。空气流动时总是趋向于阻力小的地方，所以在 PCB 上配置元器件时，要避免在某个区域留有较大的空域。在配置多块 PCB 时也应注意这一问题。

8. 在有通风口的壳体内部，元器件布局应服从空气流动方向，即进风口→放大电路→逻辑电路→敏感电路→击穿电路→小功率电阻电路→有发热元器件电路→出风口，构成良好的散热通道。发热元器件要在机壳上方，热敏元器件在机壳下方，应利用金属壳体作为散热装置。可以考虑把发热高、辐射大的元器件专门设计安装在一块 PCB 上。

9. 设计上保证元器件工作热环境的稳定性，以减轻热循环与冲击而引起的温度应力变化。温度变化率不超过 1℃/min，温度变化范围不超过 20℃，此指标要求可根据所设计开关电源的特性进行调整。

10. 元器件的冷却剂及冷却方法应与所选冷却系统及元器件相适应，不能因此产生化学反应或电解腐蚀。

冷却系统的电功率一般为所需冷却热功率的 3％～6％。冷却时，气流中含有水分、温差过大，会产生凝露或附着。水分及其他污染物等会导致电气短路、电气间隙减小或发生腐蚀，对此应采取的措施如下。

11. 冷却前后温差不要过大。

温差过大会产生凝露的部位，水分不应造成堵塞或积水，如果有积水，积水部位的材料不会发生腐蚀。

对裸露的导电金属加热缩套管或其他遮挡绝缘措施。

12. 电容器（液态介质）应远离热源。在进行 PCB 的布局过程中，各个元器件之间、集成电路芯片之间或元器件与芯片之间应该尽可能地保留空间，目的是利于通风和散热。

13. 在规则容许之下，散热部件与需要进行散热的元器件之间的接触压力应尽可能大，同时确认两个接触面之间完全接触。

14. 对于采用热管的散热方案，应尽量加大和热管接触的面积，以利于发热元器件和集成电路芯片等的热传导。空间的紊流一般会对电路产生有重要影响的高频噪声，应避免其产生。

15. 当 PCB 中发热元器件量较少时（少于 3 个），可在发热元器件上加散热器或导热管，当温度还不能降下来时，可采用带风扇的散热器，以增强散热效果。当发热元器件量较多时（多于 3 个），可采用大的散热罩（板），它是按 PCB 上发热元器件的位置和高低而定制的专用散热器，或是在一个大的平板散热器上抠出不同的元器件高低位置，将散热罩整体扣在元器件面上，与每个元器件接触而散热。但由于元器件装焊时高低一致性差，散热效果并不好，通常在元器件面上加柔软的热相变导热垫来改善散热效果。

审核编辑黄昊宇