隨著消費(fèi)類(lèi)器件尺寸的不斷縮小，功耗考慮和適當(dāng)?shù)臒嵩O(shè)計(jì)對(duì)電路設(shè)計(jì)人員和電路板布局工程師來(lái)說(shuō)變得越來(lái)越重要。本教程可幫助設(shè)計(jì)人員確保電路板既電氣健全又熱平衡，以實(shí)現(xiàn)正常運(yùn)行和最佳效率。

快速熱教程

通常，半導(dǎo)體器件的熱方程可以按照電方程進(jìn)行建模，這樣眾所周知和喜愛(ài)的歐姆定律（V = I × R）變?yōu)棣 = P × θ，其中ΔT是以°C為單位的熱差，P是以瓦特為單位的功率，θ是熱阻（°C/W）。對(duì)于半導(dǎo)體器件，ΔT是器件結(jié)點(diǎn)（例如，芯片中最熱點(diǎn)）和另一點(diǎn)（例如外殼、環(huán)境空氣或電路板）的溫差，熱阻抗θ是從一點(diǎn)到另一點(diǎn)的熱阻。熱阻通常從IC的結(jié)點(diǎn)到另一點(diǎn)（環(huán)境空氣、封裝、外殼或電路板）進(jìn)行測(cè)量，并被描述為結(jié)點(diǎn)到環(huán)境電阻θ賈， 結(jié)殼電阻， θ杰克，或結(jié)對(duì)板電阻，θ新山，在數(shù)據(jù)手冊(cè)中（圖1）。

圖1.半導(dǎo)體IC熱阻抗的建模方式與電路大致相同，如歐姆定律所述。

需要良好的散熱設(shè)計(jì)才能使設(shè)備在安全溫度限制內(nèi)運(yùn)行。結(jié)溫，TJ，對(duì)于 IC 可以計(jì)算為 TJ= T一個(gè)+ （P × θ賈），并且不應(yīng)超過(guò)制造商數(shù)據(jù)手冊(cè)中列出的限值（通常范圍為+125°C至+175°C）。熱阻值也應(yīng)從原始制造商處獲得，因?yàn)樗鼈兏叨纫蕾?lài)于封裝和器件。

需要注意的是，雖然熱方程可以建模為電方程，但使用電力時(shí)的預(yù)期精度不適用于熱操作。通常，實(shí)際熱特性可能與計(jì)算值相差多達(dá) 30%。

主板的功耗注意事項(xiàng)

電路板布局應(yīng)從設(shè)計(jì)之初就考慮。高功率電路板最重要的規(guī)則是了解您的電源路徑.流過(guò)電路的功率的位置和量是決定IC位置以及印刷電路板（PCB）上所需的散熱類(lèi)型和量的主要因素。

許多因素會(huì)影響給定設(shè)計(jì)的布局量。這些因素包括：

流過(guò)電路的功率量

器件和電路板周?chē)沫h(huán)境溫度

設(shè)備和電路板周?chē)臍饬髁?/p>

板材材質(zhì)

電路板上的 IC 密度

元件放置

模擬電路和混合信號(hào)電路板通常包括大功率模擬模塊和敏感的數(shù)字或低功耗模擬模塊。通過(guò)設(shè)計(jì)和放置電源塊開(kāi)始布局。保持單個(gè)電源塊中的連接短而寬，并確保避免不必要的接地回路和噪聲產(chǎn)生。本文已經(jīng)編寫(xiě)了多篇關(guān)于大功率電路布局技術(shù)和推薦的教程和應(yīng)用筆記。1,2,3一般來(lái)說(shuō)，請(qǐng)記住：

識(shí)別并減少電流環(huán)路，尤其是高電流路徑。

限制元件之間的阻性壓降和其他寄生效應(yīng)。

將大功率電路放置在遠(yuǎn)離敏感電路的位置。

使用良好的接地技術(shù)。

此外，避免在PCB上將多個(gè)電源組件收集在一起。將這些發(fā)熱元件均勻地放置在電路板上，可以最大限度地提高電路板的熱平衡，并保護(hù)PCB免于翹曲。有效減少電路板上的熱量還可以在工作期間保護(hù)其他敏感電路和信號(hào)。

集成電路和元件安裝

當(dāng)功率流過(guò)電路時(shí)，無(wú)源和有源元件都會(huì)產(chǎn)生熱量。無(wú)源元件和IC中產(chǎn)生的熱量必須散發(fā)到器件周?chē)^冷的環(huán)境空氣中。該熱量通常通過(guò)封裝或器件的引線(xiàn)框架散發(fā)。

在過(guò)去幾年中，IC封裝制造商已經(jīng)構(gòu)建了越來(lái)越熱友好的封裝。然而，即使有了這些封裝的進(jìn)步，隨著IC尺寸的不斷縮小，散熱也變得越來(lái)越困難。

許多IC封裝和電路板設(shè)計(jì)沒(méi)有為外部散熱器留出太多空間，需要另一種方法來(lái)提取熱量 - 進(jìn)入裸露焊盤(pán)（EP）。帶有 EP 的封裝內(nèi)的芯片直接連接到 EP，以實(shí)現(xiàn)最佳熱性能。將這些IC正確安裝在PCB上可優(yōu)化從封裝到電路板的熱傳遞。關(guān)于單個(gè)IC的熱考慮因素和安裝技術(shù)的討論已被許多可靠的來(lái)源充分記錄，超出了本文的范圍。有關(guān)單個(gè)封裝安裝技術(shù)的更多信息，請(qǐng)參見(jiàn)應(yīng)用筆記862：“QFN和其他裸露焊盤(pán)封裝的散熱考慮因素”。

散熱器

電源路徑中的組件會(huì)產(chǎn)生大量熱量。這些組件需要快速有效地將熱量散發(fā)到周?chē)h(huán)境中。一種常用的散熱方法是在電路板上添加一個(gè)外部散熱器。散熱器的目的是從設(shè)備中去除熱量并將其分配到環(huán)境空氣中。外部散熱器通常由鋁或銅等高導(dǎo)熱材料制成，可提供更大的散熱面積，如果可能，應(yīng)放置在氣流路徑中，以獲得最大的散熱。當(dāng)使用外部散熱器時(shí)，IC定位變得越來(lái)越重要，并且必須設(shè)計(jì)電路板，以便可以將散熱器固定在適當(dāng)?shù)奈恢谩榱藘?yōu)化從IC到散熱器的傳熱，您還可以使用熱環(huán)氧樹(shù)脂來(lái)緩解器件之間的傳熱。

散熱器通常需要電路板上的大量空間，可能不適合小型或緊湊型應(yīng)用。當(dāng)空間非常寶貴時(shí)，設(shè)計(jì)PCB以?xún)?yōu)化通過(guò)電路板本身的傳熱。

電路板布局

應(yīng)特別注意在IC和組件之間正確布線(xiàn)大功率路徑。如果使用不當(dāng)，銅走線(xiàn)中的電阻會(huì)導(dǎo)致電路板上的大量功率損耗和發(fā)熱。保持功率元件之間的走線(xiàn)又短又寬，并對(duì)高電流路徑使用較粗的銅走線(xiàn)。對(duì)于 1oz 銅，當(dāng)溫度升高 10°C 時(shí)，建議的每安培最小走線(xiàn)寬度范圍為 10mil 至 30mil，基于 IPC-2221 PCB 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中的設(shè)計(jì)圖表。4（有關(guān)詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱本教程中的“跟蹤厚度”部分。使用對(duì)于給定電流來(lái)說(shuō)太小的走線(xiàn)可能會(huì)導(dǎo)致整體性能下降，甚至在極端情況下熔斷。就電源走線(xiàn)而言，越大越好。

電路板設(shè)計(jì)人員還可以在電路板中使用大銅平面和過(guò)孔來(lái)去除器件的熱量。大平面增加了PCB上用于器件散熱的可用面積。理想情況下，這些平面連接在電路板的頂層或底層，以最大限度地傳輸?shù)街車(chē)h(huán)境，但是即使是內(nèi)部平面也可用于消耗PCB上器件的一些功耗。

過(guò)孔用于將功率從電路板上的一層傳輸?shù)搅硪粚印Ｋ鼈儗崃繌姆庋b板連接引導(dǎo)到另一個(gè)平面或?qū)印６鄠€(gè)過(guò)孔降低了從IC到耗散層的熱阻。

一個(gè)快速的例子

Maxim電池仿真電路5是用于布局目的的高功率電路的一個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單和直接的示例。該電路不包含任何開(kāi)關(guān)器件或靈敏控制電路，無(wú)需多個(gè)接地層或保護(hù)措施。

仿真器電路的主電源路徑從 BATT+ 節(jié)點(diǎn)開(kāi)始，流經(jīng) 100mΩ 串聯(lián)輸入電阻和 TIP35 晶體管，返回 BATT- 節(jié)點(diǎn)（圖 2）。

圖2.Maxim的電池模擬器電路。

假設(shè)充電電流為3A，輸入檢測(cè)電阻必須能夠處理至少900mW的功率。為了盡量減少工作期間電阻的變化，應(yīng)使用能夠處理超過(guò)1W的檢測(cè)電阻，以確保恒定的輸入串聯(lián)電阻。單個(gè) 5W 電阻或多個(gè) 1W 并聯(lián)電阻器工作良好（圖 3）。

電路中的TIP35晶體管必須處理電路中的大部分功率。在最壞情況下，TIP35晶體管兩端的功率可以計(jì)算如下：

P提示35= （V蝙蝠+- 五巴特-） × I巴特
P提示35= 4.2V × 3A = 12.6W

應(yīng)使用能夠處理 15W 或更高的散熱器，以包含合理的安全裕度。在測(cè)試該電路時(shí)，我們使用0.1厘米×10厘米×18.5厘米的銅片來(lái)散熱器TIP35。

多個(gè)400mΩ 1W電阻并聯(lián)用于100mΩ輸入檢測(cè)電阻。雖然在圖中不容易看出，但已使用多個(gè)過(guò)孔將頂層的 BATT 焊盤(pán)連接到底層，從而增加了 BATT 平面的面積。導(dǎo)熱膏已被用于增強(qiáng)從晶體管到散熱器的熱傳遞。

跡線(xiàn)厚度

大功率電路板設(shè)計(jì)的一個(gè)重要方面是組件之間連接的厚度.像電線(xiàn)一樣， PCB銅走線(xiàn)具有電阻， 走線(xiàn)厚度可能是影響大功率電路板性能的一個(gè)非常重要的因素.當(dāng)今的許多高功率電子電路都需要銅厚度額定值為 2oz 或更高的 PCB，然后電路板才能提供全部輸出功率并消散向負(fù)載供電時(shí)產(chǎn)生的多余熱量.設(shè)計(jì)人員通常希望PCB制造廠(chǎng)以正確的銅厚度構(gòu)建PCB.然而， 如果PCB制造過(guò)程沒(méi)有得到很好的控制， PCB最終的銅厚度可能會(huì)低于規(guī)定.當(dāng)電路沒(méi)有按預(yù)期運(yùn)行時(shí)，可能需要許多漫長(zhǎng)而令人沮喪的小時(shí)才能追蹤到由比預(yù)期更細(xì)的銅線(xiàn)引起的問(wèn)題。

Maxim工程師開(kāi)發(fā)了一種快速簡(jiǎn)便的方法，用于在組裝前驗(yàn)證PCB銅厚度。這有助于通過(guò)減少故障排除時(shí)間、防止不必要的浪費(fèi)和避免生產(chǎn)線(xiàn)上的任何停機(jī)時(shí)間來(lái)降低成本。

銅厚度通常以“盎司每平方英尺”（平方英尺）為單位，因此稱(chēng)為“銅重量”。為了確定PCB銅的重量，可以在PCB上方便的位置添加預(yù)定長(zhǎng)度和寬度的試紙。接下來(lái)，測(cè)量該試紙的電阻。由于試紙的電阻太小，無(wú)法用普通歐姆表檢測(cè)到，因此通過(guò)試紙傳遞一個(gè)小的恒定電流并測(cè)量試紙兩端的電壓。該電壓與試紙上的電阻成正比。最后，將試紙上的測(cè)量電壓轉(zhuǎn)換為銅重量。

只需一個(gè)低成本的恒流源、電壓表和一個(gè) 5W 電阻即可進(jìn)行測(cè)量。這種測(cè)試設(shè)置可以很容易地復(fù)制用于樣品測(cè)試、多條生產(chǎn)線(xiàn)上的小批量生產(chǎn)測(cè)試，或者在進(jìn)貨檢驗(yàn)時(shí)分揀出銅層比所需薄的 PCB。它將最大限度地減少使用不合格電路板的機(jī)會(huì)。

讓我們看看它是如何工作的：包括一個(gè) 50 密耳寬的試紙，并包含兩個(gè)過(guò)孔（試紙兩端一個(gè)），間隔 2000 密耳（中心到中心），作為 PCB 制造過(guò)程的一部分。通過(guò)50mA電流通過(guò)試紙。這可以通過(guò)在試紙上串聯(lián)一個(gè) ~5V 直流電源、一個(gè)電流表和一個(gè) 100Ω （5W） 電阻來(lái)完成（圖 4）。調(diào)整 ~5V 直流電源，直到電流表讀數(shù)正好為 50mA。測(cè)量試紙上的電壓（以毫伏為單位）。由于試紙兩端的電壓非常小，請(qǐng)確保所有連接都接觸良好。

圖4.2000 mil × 50 mil 銅重量測(cè)試條設(shè)置和連接。

使用以下公式將試紙兩端的電壓轉(zhuǎn)換為銅重量：

CuWt = 0.978/(VSTRIP)

其中 VSTRIP 是測(cè)試條兩端的電壓，以毫伏為單位，CuWt 是測(cè)試條的銅重量，以 [oz/sqft] 為單位

例如，測(cè)量承載50mA電流的2000mil×50mil試紙，我們測(cè)量尖端兩端0.489mV的電壓。使用 CuWt 方程， 很明顯，這條帶的銅重量為 2oz.

審核編輯：郭婷