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PCB电路板的热设计原则解析

SMT(外面封装技巧)使电子设备的安装密度增大年夜,有效散热面积减小,设备温升严重地影响靠得住性,是以,对热设计的钻研显得十分紧张。

印制电路板温升身分阐发

引起印制板温升的直接缘故原由是因为电路功耗器件的存在,电子器件均不合程度地存在功耗,发烧强度随功耗的大年夜小变更。印制板中温升的2种征象:局部温升或大年夜面积温升;短时温升或长光阴温升。

在阐发PCB热功耗时,一样平常从以下几个方面来阐发:

电气功耗:阐发单位面积上的功耗;阐发PCB板上功耗的散播。

印制板的布局:印制板的尺寸;印制板的材料。

印制板的安装要领:安装要领(如垂直安装,水安全装);密封环境和离机壳的间隔。

热辐射:印制板外面的辐射系数;印制板与相邻外面之间的温差和他们的绝对温度。

热传导:安装散热器;其他安装布局件的传导。

热对流:自然对流;逼迫冷却对流。

PCB上述各身分的阐发是办理印制板的温升的有效道路,每每在一个产品和系统中这些身分是相互关联和依附的。大年夜多半身分应根据实际环境来阐发,只有针对某一具表实际环境才能对照精确地谋略或估算出温升和功耗等参数。

热设计原则

选 材

印制板的导线因为经由过程电流而引起的温升加上规定的情况温度应不跨越125 ℃(常用的范例值。根据选用的板材可能不合)。

因为元件安装在印制板上也发出一部分热量,影响事情温度,选择材料和印制板设计时应斟酌到这些身分,热点温度应不跨越125 ℃,尽可能选择更厚一点的覆铜箔。

特殊环境下可选择铝基、陶瓷基等热阻小的板材。

采纳多层板布局有助于PCB热设计。

包管散热通道通顺

充分使用元器件排布、铜皮、开窗及散热孔等技巧建立合理有效的低热阻通道,包管热量顺利导出PCB。

散热通孔的设置 :设计一些散热通孔和盲孔,可以有效地前进散热面积和削减热阻,前进电路板的功率密度。

如在LCCC器件的焊盘上设立导通孔。在电路临盆历程中焊锡将其添补,使导热能力前进,电路事情时孕育发生的热量能经由过程通孔或盲孔迅速地传至金属散热层或后头设置的铜箔披发掉落。在一些特定环境下,专门设计和采纳了有散热层的电路板,散热材料一样平常为铜/钼等材料,如一些模块电源上采纳的印制板。

导热材料的应用 :为了削减热传导历程的热阻,在高功耗器件与基材的打仗面上应用导热材料,前进热传导效率。

工艺措施 :对一些双面装有器件的区域轻易引起局部高温,为了改良散热前提,可以在焊膏中掺入少量的渺小铜料,再流焊后在器件下方焊点就有必然的高度。

使器件与印制板间的间隙增添,增添了对飘泊热。

元器件的排布要求

对PCB进行软件热阐发,对内部最高温升进行设计节制;

可以斟酌把发烧高、辐射大年夜的元件专门设计安装在一个印制板上;

板面热容量平均散播,留意不要把大年夜功耗器件集中布放,如无法避免,则要把矮的元件放在气流的上游,并包管足够的冷却风量流经热耗集中区;

使传热通路尽可能的短;

使传热横截面尽可能的大年夜;

元器件结构应斟酌到对周围零件热辐射的影响。对热敏感的部件、元器件(含半导体器件)应阔别热源或将其隔离;

液态介质电容器最好阔别热源;

留意使逼迫透风与自然透风偏向同等;

附加子板、器件风道与透风偏向同等;

尽可能地使进气与排气有足够的间隔;

发烧器件应尽可能地置于产品的上方,前提容许时应处于气流畅道上;

热量较大年夜或电流较大年夜的元器件不要放置在印制板的角落和四周边缘,只要有可能应安装于散热器上,并阔别其他器件,并包管散热通道通行;

小旌旗灯号放大年夜器外围器件只管即便采纳温漂小的器件;

尽可能地使用金属机箱或底盘散热。

布线时的要求

板材选择(合理设计印制板布局);

布线规则;

根据器件电流密度筹划最小通道宽度;分外留意接合点处通道布线;

大年夜电流线条只管即便外面化;在不能满意要求的前提下,可斟酌采纳汇流排;

要只管即便低落打仗面的热阻。为此应加大年夜热传导面积;打仗平面应平整、滑腻,需要时可涂 覆导热硅脂;

热应力点斟酌应力平衡步伐并加粗线条;

散热铜皮需采纳消热应力的开窗法,使用散热阻焊适当开窗;

视可能采纳外面大年夜面积铜箔;

对印制板上的接地安装孔采纳较大年夜焊盘,以充分使用安装螺栓和印制板外面的铜箔进行散热;

尽可能多安顿金属化过孔,且孔径、盘面只管即便大年夜,寄托过孔赞助散热;

器件散热弥补手段;

采纳外面大年夜面积铜箔可包管的环境下,出于经济性斟酌可不采纳附加散热器的措施;

根据器件功耗、情况温度及容许最大年夜结温来谋略相宜的外面散热铜箔面积(包管原则tj≤(0.5~0.8)tjmax)。

热仿真/热阐发

热阐发可帮忙设计职员确定PCB上部件的电气机能,赞助设计职员确定元器件或PCB是否会由于高温而烧坏。简单的热阐发只是谋略PCB的匀称温度,繁杂的则要对含多个PCB和上千个元器件的电子设备建立瞬态模型。

无论阐发职员在对电子设备、PCB以及电子元件建立热模型时多幺小心翼翼,热阐发的准确程度终极还要取决于PCB设计职员所供给的元件功耗的准确性。

在许多利用中重量和物理尺寸异常紧张,假如元件的实际功耗很小,可能会导致设计的安然系数过高,从而使PCB的设计采纳与实际不符或过于守旧的元件功耗值作为根据进行热阐发。

与之相反(同时也更为严重)的是热安然系数设计过低,也即元件实际运行时的温度比阐发职员猜测的要高,此类问题一样平常要经由过程加装散热装配或风扇对PCB进行冷却来办理。

这些外接附件增添了资源,而且延长了制造光阴,在设计中加入风扇还会给靠得住性带来一层不稳定身分,是以PCB现在主要采纳主动式而不是被动式冷却要领(如自然对流、传导及辐射散热),以使元件在较低的温度范围内事情。

热设计不良终极将使得资源上升而且还会低落靠得住性,这在所有PCB设计中都可能发生,花费一些功夫准确确定元件功耗,再进行PCB热阐发,这样有助于临盆出小巧且功能性强的产品。应应用准确的热模型和元件功耗,以免低落PCB设计效率。

元件功耗谋略

准确确定PCB元件的功耗是一个赓续重复迭代的历程,PCB设计职员必要知道元件温度以确定出损耗功率,热阐发职员则必要知道功率损耗以便输入到热模型中。

设计职员先预测一个元件事情情况温度或从初步热阐发中得出预计值,并将元件功耗输入到细化的热模型中,谋略出PCB和相关元件“结点”(或热点)的温度,第二步应用新温度从新谋略元件功耗,算出的功耗再作为下一步热阐发历程的输入。

在抱负的环境下,该历程不停进行下去直到其数值不再改变为止。然而PCB设计职员平日面临必要快速完成义务的压力,他们没有足够的光阴进行耗时重复的元器件电气及热机能确定事情。

一个简化的措施是估算PCB的总功耗,将其作为一个感化于全部PCB外面的平均热流畅量。热阐发可猜测出匀称情况温度,使设计职员用于谋略元器件的功耗,经由过程进一步重复谋略元件温度知道是否还必要作其他事情。一样平常电子元器件制造商都供给有元器件规格,包括正常事情的最高温度。

元件机能平日会受情况温度或元件内部温度的影响,破费类电子产品常采纳塑封元件,其事情最高温度是85 ℃;而军用产品常应用陶瓷件,事情最高温度为125 ℃,额定最高温度平日是105 ℃。PCB设计职员可使用器件制造商供给的“温度/功率”曲线确定出某个温度下元件的功耗。

谋略元件温度最准确的措施是作瞬态热阐发,然则确定元件的瞬时功耗好不轻易。一个对照好的协调措施是在稳态前提下分手进行额定和最差状况阐发。

PCB受到各类类型热量的影响,可以利用的范例热界限前提包括:前后外面发出的自然或强制对流,前后外面发出的热辐射,从PCB边缘到设备外壳的传导,经由过程刚性或挠性连接器到其他PCB的传导,从PCB到支架(螺栓或粘合固定)的传导,2个PCB夹层之间散热器的传导。

今朝有很多种形式的热模拟对象,基础热模型及阐发对象包括阐发随意率性布局的通用对象、用于系统流程/传热阐发的谋略流体动力学(CFD)对象,以及用于具体PCB和元件建模的PCB利用对象。

基础历程

在不影响并有助于前进系统电机能指标的条件下,依据供给的成熟履历,加速PCB热设计。在系统及热阐发预估及器件级热设计的根基上,经由过程板级热仿真预估热设计结果,探求设计缺陷,并供给系统级办理规划或变化器件级办理规划。

经由过程热机能丈量对热设计的效果进行查验,对规划的适用性和有效性进行评价。经由过程预估-设计-丈量-反馈轮回赓续的实践流程,修正并积累热仿真模型,加快热仿真速率,前进热仿真精度,弥补PCB热设计履历。

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