?周末隨想：BUCK變換器多層PCB熱設(shè)計技巧

時間：2021-08-19 16:35:15

關(guān)鍵字： BUCK變換器

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[導(dǎo)讀]實際的應(yīng)用中，很多降壓型BUCK變換器，通常要利用連接到相應(yīng)管腳的大片PCB銅皮來散熱：單芯片的BUCK電源IC，主要利用IC的GND管腳，焊接到PCB的GND銅皮來散熱；部分內(nèi)部封裝分立MOSFET的BUCK電源IC，以及采用分立方案的BUCK變換器，如使用控制器驅(qū)動分立MOS...

實際的應(yīng)用中，很多降壓型BUCK變換器，通常要利用連接到相應(yīng)管腳的大片PCB銅皮來散熱：單芯片的BUCK電源IC，主要利用IC的GND管腳，焊接到PCB的GND銅皮來散熱；部分內(nèi)部封裝分立MOSFET的BUCK電源IC，以及采用分立方案的BUCK變換器，如使用控制器驅(qū)動分立MOSFET、Power Stage、Power Block或 DrMOS，都會利用開關(guān)節(jié)點SW對應(yīng)的管腳，焊接到PCB的銅皮來散熱。本文主要討論使用SW鋪設(shè)PCB銅皮時，如何優(yōu)化PCB的設(shè)計，來優(yōu)化PCB的散熱性能。

前面研究過：器件散熱管腳對應(yīng)的PCB板銅皮鋪的面積越大，總熱阻就越低，器件的溫升就越低，由于PCB板上其他元件及PCB本身尺寸的限制，散熱銅皮鋪設(shè)的面積也就受到限制。那么，對于多層PCB板，如何在各層鋪設(shè)銅皮，比較優(yōu)化？

下面以一個使用開關(guān)節(jié)點SW管腳來散熱的BUCK電源IC來研究這個問題，輸入電壓：12V，輸出電壓：5V，輸出電流：4A，工作頻率：500KHz，4層PCB板，1OZ覆銅。

PCB的設(shè)計1：開關(guān)節(jié)點SW管腳下面，4層PCB板每層都鋪設(shè)相應(yīng)的SW銅皮，然后用多個過孔連接4層PCB的SW銅皮，特別是IC底部SW管腳下面，布設(shè)多個過孔。

圖1：PCB的設(shè)計1

PCB的設(shè)計2：開關(guān)節(jié)點SW管腳下面，4層PCB板每層都鋪設(shè)相應(yīng)的SW銅皮，然后用多個過孔連接4層PCB的SW銅皮，但是，IC底部SW管腳下面沒有布設(shè)過孔。

圖2：PCB的設(shè)計2

PCB的設(shè)計3：開關(guān)節(jié)點SW管腳下面，只有PCB的頂層鋪設(shè)SW銅皮，其他層對應(yīng)的位置，鏤空。

圖3：PCB的設(shè)計3

PCB的設(shè)計4：開關(guān)節(jié)點SW管腳下面，只有PCB板的頂層鋪設(shè)SW銅皮，其他層對應(yīng)的位置都為GND銅皮平面。

圖4：PCB的設(shè)計4

測量4種條件下IC的溫度，結(jié)果如圖5、圖6、圖7、圖8所示。

圖5：PCB設(shè)計1的IC溫度

圖6：PCB設(shè)計2的IC溫度

圖7：PCB設(shè)計3的IC溫度

圖8：PCB設(shè)計4的IC溫度

由實驗的結(jié)果，可以得到以下結(jié)論：

（1）電源IC芯片用來散熱的管腳，使用大的散熱銅皮和多層銅皮，直接在散熱管腳下面布設(shè)過孔連接這些多層銅皮，可以極大提高散熱性能。但是，多層鋪設(shè)SW銅皮，如果SW管腳下面不直接布設(shè)過孔，會極大影響散熱性能。

（2）多層PCB板，即使僅有頂層鋪設(shè)SW銅皮，只要第2層鋪設(shè)GND銅皮平面，可以達到多層鋪設(shè)SW銅皮同樣的散熱效果。由于頂層和第2層的距離比較近，熱量可以有效的通過傳導(dǎo)和輻射的方式，到達第2層GDN平面，然后散出去；而且，這種設(shè)計對系統(tǒng)的干擾最小。

（3）只有頂層孤島的銅皮、下方鏤空的設(shè)計，散熱效果最差。