设计电源，散热很关键！

烙馍菜盒

散热是电源设计过程中不可回避的问题，当你所设计的电源热量增加时，产品的功耗必然会成倍的增加。如此，在设计之初必然要更换大电流的解决方案，势必会带来的成本上的增加，且当电流足够大时，产品的成本会翻倍上升。   

一般地，散热管理主要从三个层面去考虑，分别是：系统、封装、PCB板材与设计。系统中需要考虑的因素则更多，比如说系统空间、对流设计、外围功率器件、限制条件等等。封装简单来讲要从两个方面考虑——半导体厂商提供的硅芯片机械属性和IC制造商的材料属性。本文撇开系统和封装不谈，只针对电路板板材与PCB设计对电源散热的影响做一个简单的分析测评。

做电源热分析时，热阻抗这个参数是不可回避的，它是半导体热特性的一个重要的表征参数。本文采用测量Schottky结电压的方式（Schottky结电压随温度的变化几乎是线性的）反映工作温升（用热成像会更直观），进而换算出热阻抗。

具体测量方法是：MCU控制快速通断（通断的转换要在1us之内）输出两路电流——工作电流（实测1.65A）、测量电流（实测趋近1MA），然后通过AD采集测量热源（Schottky二极管）的加热响应。原理框图如下：

图1：测量原理框图

首先对比的是不同材质的PCB板材（覆铜板）对散热的影响。传统板材选用的是玻纤混树脂，导热系数0.25W/m-k；散热板材选用的是罗杰斯的92MLHF，它在环氧树脂体系加入陶瓷填料，可以有效地改善导热系数，能够极大地提高系统的散热能力，导热系数是标准FR-4（环氧树脂）的4到8倍，为2W/m-k。

  
图2：不同材料的热阻抗随时间的响应

结果做成折线图，可以看出92MLHF对于热阻的降低效果还是很显著的。我们之前做产品的电源升级时遇到一个难题：在特定满负荷下，过热保护继电器会动作，输出纹波电压也跳到300mv左右。由于是产品升级，不想拿出太多人力物力去做散热设计，而且过温裕度不是很高，我们采用更换Rogers板材的方案，效果理想。满载时热阻大约降低了2.57k/w，同比的温升降了4℃左右。以上数据仅给大家做一个参考。

图3：PCB散热示意图

另外，笔者之前在做一个电源项目时，遇到过这样一个问题——散热铜箔打了足够量的散热过孔，局部温升却没有明显的下降，反而从现场试用反馈回来的设备里发现板体会有轻微的形变。PCB板覆铜层的导热系数远大于基板（FR4），所以增加散热过孔常用来增强PCB法向热传导。那么是不是散热过孔越多越利于散热？我们在测试过程中发现如果PCB背面没有安装散热片，散热过孔数量的增加对于器件温度降低的贡献非常有限。

图4：PCB过孔数量与热阻抗的关系

很多工程师在做散热设计的时候费尽心思搞过孔排布，尽可能的多打孔，这算是一个认识上的误区。牺牲了板子的机械强度，牺牲了铜箔的散热面积，效果却不理想。

再值得一提的就是散热铜箔。单从PCB角度上，如果电源功率高，局部温升大，上面的方案达不到预期的散热效果。另外，实际应用中还可以改变散热铜箔的大小、层数与厚度，空间允许还可以增加散热器等来增加散热，这种方法往往简单有效。92MLHF的铜箔可以做到5oz，此外罗杰斯也可以提供各种性能优异金属基多层板，是相对低成本的散热解决方案。

图5：试验板实物图

随着底部散热型的器件应用越来越广泛，PCB 作为元件主要的散热途径也越显重要。根据不同的散热设计方案合理进行PCB 的设计，良好的局部散热设计不仅有利于器件的散热，还可以简化PCB 设计。 综上，如果你也在电源设计过程中遇到散热这个棘手的问题，同时也不想花费太多的成本，那么合理的PCB设计跟出色的导热板材更配哦。

阅读全文