利用CFD建模方法進行PCB熱設計應用

由于多相位穩(wěn)壓器應用要求的功率等級越來越高，同時可用的電路板面積又在不斷減小，PCB電路板走線設計已經(jīng)成為穩(wěn)壓器熱設計的重要組成部分。PCB板可以幫助散發(fā)穩(wěn)壓器產(chǎn)生的大部分熱量，而且在許多情況下這是唯一的散熱方式。設計良好的走線可以通過增強MOSFET和IC周圍的有效熱導率來改善電路板的熱性能。

另外一方面，為了降低成本，又需要減少不必要的走線。因此為了滿足上述目標，必須在設計階段對穩(wěn)壓器周圍的PCB熱導率變化及其對穩(wěn)壓器熱性能的影響進行*估和調整。

常見的熱分析方法是根據(jù)銅層的數(shù)量、厚度和覆蓋百分比及電路板總厚度計算整個電路板的有效并行和正常導熱率的平均值，然后利用平均并行和正常熱導率計算電路板的熱傳導。然而在必須考慮電路板熱導率局部變化的場合，這種方法并不合適。

Icepak是一種熱建模的軟件工具，可以用于研究電路板中熱導率的局部變化。除了計算流體動力學(CFD)功能外，該軟件工具還把電路板的走線和過孔情況考慮進去，進而計算整個電路板上的熱導率分布。這個特性使得Icepak非常適用于以下研究工作。

原始設計和模型驗證

Icepak模型是根據(jù)1U服務器應用中的ECAD文件創(chuàng)建的。原始電路板的走線和過孔信息被導入到模型中(圖1a)。

為了檢查熱導率分布情況，可以將45℃恒溫邊界條件指配給PCB板的背面，同時將均勻的熱流量邊界條件指配給其頂部。計算結果如圖1b所示。

在圖1b中，高溫代表了低的熱導率，低溫代表了高的熱導率。從圖中可以看出，在沒有走線的區(qū)域溫度較高，在走線較多的區(qū)域溫度較低。在有大過孔的區(qū)域，溫度接近45℃。

這表明熱導率分布與原始設計中的走線分布是一致的。為了獲得小孔的局部效應，應該使用較小的背景柵格尺寸。

在本例中，背景柵格尺寸為1×1mm。每個柵格包含一個電路板單元，該單元具有自己的X、Y和Z坐標方向的熱導率，一般情況下它們具有不同的值。

在該模型中，穩(wěn)壓器元件和走線的功率損失如表1所示。這些功率損失值在前述測試中得到了驗證。

1U應用模型如圖2a所示，其中的電路板上方存在著空氣流動。環(huán)境溫度為25℃，內部空氣流速為400LFM。圖2b給出了電路板上表面和元件的溫度。具有較高溫度的元件是穩(wěn)壓器中的MOSFET。

當把每個關鍵元件組的最大溫度的仿真結果與測試結果對比時，我們發(fā)現(xiàn)它們具有很好的一致性。

減少電路板走線

原始PCB設計具有相對較大的走線覆蓋率，目的是為了增加電路板中的熱量散發(fā)，從而降低穩(wěn)壓器溫度。然而在有些情況下，為了降低成本，要減少走線覆蓋率，并且不使用散熱器。因此，會對走線進行修改，然后用驗證模型用來預測穩(wěn)壓器的溫度。

圖1a：輸入原始設計的走線。

圖1b：原始設計中，在均勻熱流時PCB上表面的溫度分布情況。