利用CFD建模方法进行PCB热设计应用

文章摘要：由于多相位稳压器应用要求的功率等级越来越高，同时可用的电路板面积又在不断减小，PCB电路板走线设计已经成为稳压器热设计的重要组成部分。PCB板可以帮助散发稳压器产生的大部分热量，而且在许多情况下这是唯一的散热方式。设计良好的走线可以通过增强MOSFET和IC周围的有效热导率来改善电路板的热性能。另外一方面，为了降低成本，又需要减少不必要的走线。因此为了满足上述目标，必须在设计阶段对稳压器周围的PCB热导率变化及其对稳压器热性能的影响进行*估和调整。常见的热分析方法是根据铜层的数量、厚度和覆盖百分比及电路板总厚度计算整个电路板的有效并行和正常导热率的平均值，然后利用平均并行和正常热导率计算电路板

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　　由于多相位稳压器应用要求的功率等级越来越高，同时可用的电路板面积又在不断减小，PCB电路板走线设计已经成为稳压器热设计的重要组成部分。PCB板可以帮助散发稳压器产生的大部分热量，而且在许多情况下这是唯一的散热方式。设计良好的走线可以通过增强MOSFET和IC周围的有效热导率来改善电路板的热性能。

　　另外一方面，为了降低成本，又需要减少不必要的走线。因此为了满足上述目标，必须在设计阶段对稳压器周围的PCB热导率变化及其对稳压器热性能的影响进行*估和调整。

　　常见的热分析方法是根据铜层的数量、厚度和覆盖百分比及电路板总厚度计算整个电路板的有效并行和正常导热率的平均值，然后利用平均并行和正常热导率计算电路板的热传导。然而在必须考虑电路板热导率局部变化的场合，这种方法并不合适。

　　Icepak是一种热建模的软件工具，可以用于研究电路板中热导率的局部变化。除了计算流体动力学(CFD)功能外，该软件工具还把电路板的走线和过孔情况考虑进去，进而计算整个电路板上的热导率分布。这个特性使得Icepak非常适用于以下研究工作。

　　原始设计和模型验证

　　Icepak模型是根据1U服务器应用中的ECAD文件创建的。原始电路板的走线和过孔信息被导入到模型中(图1a)。

　　为了检查热导率分布情况，可以将45℃恒温边界条件指配给PCB板的背面，同时将均匀的热流量边界条件指配给其顶部。计算结果如图1b所示。

　　在图1b中，高温代表了低的热导率，低温代表了高的热导率。从图中可以看出，在没有走线的区域温度较高，在走线较多的区域温度较低。在有大过孔的区域，温度接近45℃。

　　这表明热导率分布与原始设计中的走线分布是一致的。为了获得小孔的局部效应，应该使用较小的背景栅格尺寸。

　　在本例中，背景栅格尺寸为1×1mm。每个栅格包含一个电路板单元，该单元具有自己的X、Y和Z坐标方向的热导率，一般情况下它们具有不同的值。

　　在该模型中，稳压器元件和走线的功率损失如表1所示。这些功率损失值在前述测试中得到了验证。

　　1U应用模型如图2a所示，其中的电路板上方存在着空气流动。环境温度为25℃，内部空气流速为400LFM。图2b给出了电路板上表面和元件的温度。具有较高温度的元件是稳压器中的MOSFET。

　　当把每个关键元件组的最大温度的仿真结果与测试结果对比时，我们发现它们具有很好的一致性。

　　减少电路板走线

　　原始PCB设计具有相对较大的走线覆盖率，目的是为了增加电路板中的热量散发，从而降低稳压器温度。然而在有些情况下，为了降低成本，要减少走线覆盖率，并且不使用散热器。因此，会对走线进行修改，然后用验证模型用来预测稳压器的温度。

　　图1a：输入原始设计的走线。

　　图1b：原始设计中，在均匀热流时PCB上表面的温度分布情况。