高功率pcb的热设计指南

2019年7月1日

太阳下撑阳伞

如果你正在坎昆的海滩上设计你的下一个PCB，你将需要考虑一些热管理技术，包括你自己和你的电路板。正确的热管理实践可以帮助您在设计下一个革命性的电子产品时保持电路板和您自己的凉爽。

无论您是使用电力电子设备、嵌入式系统、工业设备，还是只是设计一个新的主板，您都必须与系统中的温度升高作斗争。持续在高温下运行会缩短单板的使用寿命，甚至可能导致系统某些关键点出现故障。在设计过程中尽早考虑温升可以帮助您延长电路板和组件的额定使用寿命。

热设计从估计工作温度开始

在开始新的设计之前，您需要考虑您的电路板允许运行的温度，它将运行的环境，以及组件耗散的功率。这些因素将共同决定您的电路板和组件的工作温度。这也将帮助你决定你的冷却策略需要有多激进。

将您的电路板放置在环境温度较高的环境中会导致它保持更多的热量，因此它将在更高的温度下运行。为了将温度维持在设定的水平，耗电更多的组件将需要更激进的冷却方法。重要的行业标准可能会规定在操作过程中组件和基板的最高温度。

在设计热管理策略之前，请务必检查数据表中组件的允许工作温度以及重要行业标准中的允许温度。您需要将主动和被动冷却与适当的电路板布局结合起来，以防止损坏您的电路板。

主动冷却和被动冷却:哪个更适合你的电路板?

这是任何设计师都应该考虑的重要问题。一般情况下，被动冷却在环境温度远低于工作温度时效果最好。系统和环境之间的热梯度将很大，迫使更大的热流远离你的组件和板本身。使用主动冷却，即使环境温度较高，您也可以提供更大的温度降低，这取决于主动冷却系统。

被动冷却

您应该尝试为主动部件采用最低程度的被动冷却，以便将热量散发到地平面。许多主动组件包括封装底部的热垫，以允许热量通过拼接孔消散到附近的地平面。这些缝合孔然后运行到组件下面的铜垫。有一些有用的PCB计算器这可以用来估计你的组件下面需要的铜垫的大小。

显然，组件下面的铜垫不能延伸到实际组件的边缘之外，因为这会干扰表面安装垫或通孔销。如果单个垫不能将温度降低到所需的水平，那么您可能需要在设备顶部添加一个散热器来散热。您还可以用热垫或热膏增加热通量到散热器。

蒸发冷却是冷却产生大量热量的活性部件的另一种选择。然而，蒸发冷却组件非常笨重，并不适合许多系统。如果系统泄漏或破裂，你会留下液体泄漏在你的板。在这一点上，您不妨实现一个主动冷却方法，因为这将提供相同或更好的散热。

发电厂的冷却塔

燃煤电厂工业规模蒸发冷却

主动冷却

如果您需要进一步降低主动组件(如fpga、cpu或其他具有高开关速度的设备)的温度，则在被动冷却不起作用时，可能需要使用风扇进行主动冷却。风扇并不总是全速运转，有时甚至可能不开机。温度较高的部件和产生更多热量的部件要求风扇以更快的速度运行。

由于开关导致PWM信号产生一定的噪声，风扇产生噪声。您的电路板将需要包括一个电路来产生PWM信号来控制风扇速度，以及一个传感器来测量有关组件的温度。还生产交流驱动风扇与电子开关控制器辐射电磁干扰在基开关频率和每个高阶谐波处。附近的痕迹组件将需要有足够的噪声抑制/免疫，甚至在极端情况下，如果使用风扇屏蔽。

您还可以使用使用冷却液或制冷剂的主动冷却系统来提供大规模的冷却。这是一种不常见的解决方案，因为它需要泵或压缩机来移动冷却液或制冷剂通过系统。例如，水冷系统用于高性能的游戏计算机来冷却gpu，其他系统可用于高速cpu。