BUCK变换器多层PCB热设计技巧

松哥电源 发表于 2020-10-15 15:02:43 收藏 已收藏
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BUCK变换器多层PCB热设计技巧

松哥电源 发表于 2020-10-15 15:02:43

实际的应用中,很多降压型BUCK变换器,通常要利用连接到相应管脚的大片PCB铜皮来散热:单芯片的BUCK电源IC,主要利用IC的GND管脚,焊接到PCB的GND铜皮来散热;部分内部封装分立MOSFET的BUCK电源IC,以及采用分立方案的BUCK变换器,如使用控制器驱动分立MOSFET、Power Stage、Power Block或 DrMOS,都会利用开关节点SW对应的管脚,焊接到PCB的铜皮来散热。本文主要讨论使用SW铺设PCB铜皮时,如何优化PCB的设计,来优化PCB的散热性能。

前面研究过:器件散热管脚对应的PCB板铜皮铺的面积越大,总热阻就越低,器件的温升就越低,由于PCB板上其他元件及PCB本身尺寸的限制,散热铜皮铺设的面积也就受到限制。那么,对于多层PCB板,如何在各层铺设铜皮,比较优化?

下面以一个使用开关节点SW管脚来散热的BUCK电源IC来研究这个问题,输入电压:12V,输出电压:5V,输出电流:4A,工作频率:500KHz,4层PCB板,1OZ覆铜。

PCB的设计1:开关节点SW管脚下面,4层PCB板每层都铺设相应的SW铜皮,然后用多个过孔连接4层PCB的SW铜皮,特别是IC底部SW管脚下面,布设多个过孔。

图1:PCB的设计1

PCB的设计2:开关节点SW管脚下面,4层PCB板每层都铺设相应的SW铜皮,然后用多个过孔连接4层PCB的SW铜皮,但是,IC底部SW管脚下面没有布设过孔。

图2:PCB的设计2

PCB的设计3:开关节点SW管脚下面,只有PCB的顶层铺设SW铜皮,其他层对应的位置,镂空。

图3:PCB的设计3

PCB的设计4:开关节点SW管脚下面,只有PCB板的顶层铺设SW铜皮,其他层对应的位置都为GND铜皮平面。

图4:PCB的设计4

测量4种条件下IC的温度,结果如图5、图6、图7、图8所示。

图5:PCB设计1的IC温度

图6:PCB设计2的IC温度

图7:PCB设计3的IC温度

图8:PCB设计4的IC温度

由实验的结果,可以得到以下结论:

(1)电源IC芯片用来散热的管脚,使用大的散热铜皮和多层铜皮,直接在散热管脚下面布设过孔连接这些多层铜皮,可以极大提高散热性能。但是,多层铺设SW铜皮,如果SW管脚下面不直接布设过孔,会极大影响散热性能。

(2)多层PCB板,即使仅有顶层铺设SW铜皮,只要第2层铺设GND铜皮平面,可以达到多层铺设SW铜皮同样的散热效果。由于顶层和第2层的距离比较近,热量可以有效的通过传导和辐射的方式,到达第2层GDN平面,然后散出去;而且,这种设计对系统的干扰最小。

(3)只有顶层孤岛的铜皮、下方镂空的设计,散热效果最差。

责任编辑:haq

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