那麼該電源模塊如何才能實現如此高的功率密度？圖1電路圖中顯示的電源模塊提供僅有8.5°C/W的極低熱阻θ，這zhe是shi因yin為wei其qi襯chen底di使shi用yong了le銅tong材cai料liao。為wei給gei電dian源yuan模mo塊kuai散san熱re，電dian源yuan模mo塊kuai安an裝zhuang在zai具ju有you直zhi接jie安an裝zhuang特te性xing的de高gao效xiao導dao熱re電dian路lu板ban上shang。該gai多duo層ceng電dian路lu板ban有you一yi個ge頂ding層ceng走zou線xian層ceng（電源模板安裝於其上）和利用通孔連接至頂層的兩個內埋銅平麵。該結構有非常高的導熱係數（低熱阻）
，使電源模塊的散熱很容易。

 

為理解這一現象，我們來分析一下ISL8240MEVAL4Z評估板的實現（圖2）。這是一個在四層電路板上支持雙路20A輸出的電源模塊評估板

 

圖2：ISL8240MEVAL4Z電源模塊評估板

 

該電路板有四個PCB層，標稱厚度為0.062英寸(±10%)，並且采用層疊排列
，如圖3所示。

 

圖3：ISL8240M電源模塊使用的四層0.062”電路板的層疊排列

 

該PCB主要由FR4電路板材料和銅組成
，另有少量焊料

、鎳和金。表1列出了主要材料的導熱係數。

 

　　

SAC305* 是的無鉛焊料，由96.5%錫、3.0%銀和0.5%銅組成。 W = 瓦特
，in = 英寸
，C = 攝氏度，m = 米
，K =開氏度   

 

我們使用式1 來確定材料的熱阻。

 

式1：計算材料的熱阻

 

為確定圖3中電路板頂部銅層的熱阻，我們取銅層的厚度(t)並除以導熱係數與截麵積之積。為計算方便
，我們使用1平方英寸作為截麵積，這時A=B=1英寸。銅層的厚度為2.8密耳（0.0028英寸）。這是2盎司銅沉積在1平方英寸電路板區域的厚度。係數k是銅的W/(in-°C)係數，其值等於9。因此
，對於這1平方英寸2.8密耳銅的熱流，熱阻為0.0028/9=0.0003°C/W。我們可使用圖3顯示的每層尺寸和表1中的相應k係數，來計算每層1平方英寸電路板區域的熱阻。結果如圖4所示。

 

圖4：1平方英寸電路板層的熱阻

 

從這些數字，我們可知33.4密耳(t5)層的熱阻是的。圖4中的所有數字顯示了從頂層至底層的這四層1平方英寸電路板的總熱阻。如果我們添加一個從電路板頂層至底層的通孔連接會怎樣？我們來分析添加該通孔連接的情況。

 

電路板使用的通孔的成孔尺寸約為12密耳（0.012英寸）。製造該通孔時先鑽一個直徑為0.014英寸的孔，然後鍍銅，這會在孔內側增加約1密耳（0.001英寸）厚的銅壁。該電路板還使用了ENIG電鍍工藝。這在銅外表麵上增加約200微英寸鎳和約5微英寸金。我們在計算中忽略這些材料

，隻使用銅來確定通孔的熱阻。

 

式2是計算圓柱形管熱阻的公式。

 

式2：計算圓柱形管熱阻

 

變量l是圓柱形管的長度，k是導熱係數，r1是較大半徑
，r0是較小半徑。

 

對12密耳（直徑）成孔使用該式



，我們有r0=6密耳（0.006英寸）、r1=7密耳（0.007英寸）和K=9（鍍銅）。

 

圖5：12密耳通孔的表麵尺寸

 

變量l是通孔的長度（從頂麵銅層到底麵銅層）。電路板上焊接電源模塊的地方沒有阻焊層，但對其他區域，PCB設計工程師可能要求在每個通孔的頂部放置阻焊層
，否則通孔上麵的區域會空缺。由於通孔隻連接外銅層，所以其長度為63.4密耳（0.0634英寸）。總通孔長度本身的熱阻是167°C/W，如式3所示。

 

式3：計算一個通孔（12密耳）的熱阻

 

圖6列出了連接電路板各層的每段通孔的熱阻。

 

圖6：連接電路板各層的通孔段的熱阻

 

請注意，這些值隻是一個通孔本身的熱阻，並未考慮穿過電路板的每一段與圍繞它的材料是橫向連接的。

 

如果我們分析圖4中(zhong)各(ge)個(ge)電(dian)路(lu)板(ban)層(ceng)的(de)熱(re)阻(zu)值(zhi)
，並(bing)將(jiang)它(ta)們(men)與(yu)一(yi)個(ge)通(tong)孔(kong)的(de)熱(re)阻(zu)值(zhi)進(jin)行(xing)比(bi)較(jiao)
，似(si)乎(hu)該(gai)通(tong)孔(kong)的(de)熱(re)阻(zu)比(bi)每(mei)層(ceng)的(de)熱(re)阻(zu)高(gao)很(hen)多(duo)，但(dan)是(shi)請(qing)注(zhu)意(yi)，一(yi)個(ge)通(tong)孔(kong)隻(zhi)占(zhan)1平方英寸電路板區域的1/5000不到。如果我們決定比較更小的電路板區域，比如0.25英寸x0.25英寸（這是前麵電路板區域的1/16），則圖4中的每個熱阻值將增加到原來的16倍。例如
，t4和33.4密耳厚FR4層的熱阻會從5.21875°C/W增加至83.5°C/W。僅對該0.25英寸x0.25英寸區域添加一個通孔就會使穿過該33.4密耳FR4層的熱阻減少近一半（83.5°C/W和90.91°C/W）。0.25英寸x0.25英寸方塊的麵積是一個通孔的麵積的約400倍。那麼如果在該區域布置16個通孔會怎樣？與一個通孔相比，所有平行通孔的有效熱阻將減小16倍。圖7比較了各個0.25英寸x0.25英寸電路板層與16個通孔的熱阻。0.25英寸x0.25英寸電路板的33.4密耳厚FR4層的熱阻為83.5°C/W。16個平行通孔具有5.6821°C/W的等效熱阻。

 

這16個通孔隻占0.25英寸x0.25英寸電路板區域麵積的不到1/25
，但可顯著減小從頂麵到低層的熱阻連接。

 

圖7：熱阻值比較

 

qingzhuyi，dangrexiangxialiuguotongkongbingdadaolingyicengshi
，tebieshilingyigetongcengshi，qijianghengxiangkuosandaogaicailiaoceng。tianjiayuelaiyueduotongkongzhonghuijiangdixiaoguo，yinweicongyigetongkonghengxiangkuosandaofujincailiaoderezhonghuiyulaizilingyigefangxiang（源自從另一通孔）的熱相遇。ISL8240MEVAL4Z評估板的尺寸是3英寸x4英寸。電路板上的頂層和底層有2盎司銅
，還有兩個內層各包含2盎司銅。為使這些銅層發揮作用，電路板有917個12密耳直徑的通孔，它們全都有助於將熱從電源模塊擴散到下麵的銅層。

 

結束語

 

為適應電壓軌數目的增多和更高性能的微處理器和FPGA，諸如ISL8240M電(dian)源(yuan)模(mo)塊(kuai)等(deng)先(xian)進(jin)的(de)電(dian)源(yuan)管(guan)理(li)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)，通(tong)過(guo)提(ti)供(gong)更(geng)大(da)功(gong)率(lv)密(mi)度(du)和(he)更(geng)小(xiao)功(gong)耗(hao)來(lai)幫(bang)助(zhu)提(ti)高(gao)效(xiao)率(lv)。通(tong)孔(kong)在(zai)電(dian)源(yuan)模(mo)塊(kuai)電(dian)路(lu)板(ban)設(she)計(ji)中(zhong)的(de)實(shi)現(xian)
，已(yi)成(cheng)為(wei)實(shi)現(xian)更(geng)高(gao)功(gong)率(lv)密(mi)度(du)的(de)一(yi)個(ge)越(yue)來(lai)越(yue)重(zhong)要(yao)的(de)因(yin)素(su)。

（來源：維庫電子市場網）