散熱性能優(yōu)化的車(chē)載雙層板PCB設(shè)計(jì)，符合CISPR25 Class 5 規(guī)范

汽車(chē)電子供應(yīng)商在爭(zhēng)相提供自動(dòng)化、互聯(lián)化和電氣化解決方案的競(jìng)賽中面臨不斷增長(zhǎng)的成本壓力。而采用雙層PCB設(shè)計(jì)是降低成本的一種有效方法。但雙層PCB需要十分謹(jǐn)慎的設(shè)計(jì)，因?yàn)槠渖崽匦圆患?，有可能?dǎo)致性能的降級(jí)。

在本文中，汽車(chē)專(zhuān)家將以MPS的MPQ4323-AEC1 為例給出實(shí)用建議，說(shuō)明如何微調(diào)雙層PCB的電路和布局設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)最佳散熱特性，同時(shí)符合CISPR25 5類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)。

采用雙層PCB布局

PCB的層數(shù)取決于PCB空間、組件數(shù)量以及計(jì)劃投入的生產(chǎn)成本。硬件設(shè)計(jì)師通常只有兩層電路板可用。在汽車(chē)用雙層PCB設(shè)計(jì)中，需要對(duì)DC開(kāi)關(guān)電源的組件進(jìn)行小心排布，才能滿(mǎn)足EMC以及散熱要求。

設(shè)計(jì)方法

本文測(cè)試了9種雙層PCB布局。每種布局都具有不同于其他布局的組件位置和少許更改，同時(shí)具有不同的多邊形排布和過(guò)孔位置（見(jiàn)圖1）。我們測(cè)試這九種不同的布局，以期找到能夠改進(jìn)EMC和散熱性能的最佳方案。下文將重點(diǎn)介紹這些布局之間的散熱性能和EMC性能差異。

圖1: 9種不同布局的PCB面板

雙層布局設(shè)計(jì)建議

通過(guò)遵循一定的設(shè)計(jì)原則，可以實(shí)現(xiàn)散熱與EMC同時(shí)優(yōu)化的解決方案。以MPS的MPQ4323-AEC1為例（見(jiàn)圖2），該直流開(kāi)關(guān)電源采用散熱性能優(yōu)化的雙層布局，并符合汽車(chē)級(jí)EMC CISPR25 Class 5的要求。 

圖2：符合汽車(chē)級(jí)EMC標(biāo)準(zhǔn)且優(yōu)化了散熱性能的MPQ4323原理圖

圖3顯示了基于以上示意圖的PCB組件排布。 

圖3: MPQ4323雙層PCB的組件排布

上述推薦布局具有實(shí)心頂部、底部GND平面和一個(gè)較大的 VIN 多邊形。它還利用了PGND 過(guò)孔來(lái)連接頂層和底層。圖4顯示了該方案的散熱圖。Y形的 VIN 散熱片在頂層吸取熱量。PGND 過(guò)孔則連接頂層和底層，充當(dāng)次級(jí)散熱器。 

圖4: MPQ4323雙層PCB散熱圖

電感（L3）也是有效的散熱器（見(jiàn)圖4）。在本示例中，引腳12上的開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)必須具有較小的表面積，以免其因快速變化的電壓（高du/dt）而成為發(fā)射天線(xiàn)。電感應(yīng)盡可能地靠近引腳12，讓熱量經(jīng)最短距離盡快流入電感。而且，要實(shí)現(xiàn)最佳EMC，還需將電感繞組的標(biāo)記側(cè)與引腳12對(duì)齊。這樣，電感的外部銅繞組能夠屏蔽電感線(xiàn)圈內(nèi)具有高du/dt的噪聲區(qū)域。圖5顯示了器件封裝內(nèi)的熱分布。 

圖5: MPQ4323封裝內(nèi)的熱分布

能夠?qū)崃總鬟f到PCB的最有效引腳包括VIN、PGND和SW。這些引腳通過(guò)PCB內(nèi)部引線(xiàn)框架直接連接到上、下管MOSFET（分別為HS-FET和LS-FET）處。引線(xiàn)框架直接焊連在芯片內(nèi)核下方，可以實(shí)現(xiàn)最有效的熱流動(dòng)。

靠近MOSFET的芯片部位熱量更高，因?yàn)槟抢镎莾?nèi)部產(chǎn)生熱量的地方。如圖4所示，封裝上的白色區(qū)域（最高67.8°C）溫度要高于洋紅色區(qū)域（約62°C）。銅的導(dǎo)熱率為388W/mk，而硅的導(dǎo)熱率為180W/mk。 這意味著熱量在銅中的分布更均勻。而且，我們測(cè)得的溫度是封裝表面的溫度，芯片內(nèi)部溫度還要高幾度。

MOSFET在引線(xiàn)框架上的內(nèi)部長(zhǎng)度較短；相比而言模擬引腳（BOOT、VCC、AGND、FB、PG和EN）沒(méi)有如此高的導(dǎo)熱能力。因此，在設(shè)計(jì)布局時(shí)，電源引腳（VIN、PGND和SW）應(yīng)具有較大的銅覆面以冷卻器件，而靠近電源引腳的頂層就是最有效的散熱器。

當(dāng)頂層GND和底層GND之間的過(guò)孔越靠近電源引腳時(shí)，熱流動(dòng)越有效。因此我們建議將過(guò)孔安排在較熱的位置。但需確保過(guò)孔不要太密集。太多過(guò)孔反而會(huì)因?yàn)殂~覆面太少而阻礙頂層的熱流動(dòng)。 頂層具有直接的銅連接用于熱流動(dòng)非常重要。與此同時(shí)，由于與過(guò)孔之間的熱串聯(lián)，底層散熱較差。因此，為實(shí)現(xiàn)良好的熱傳遞，建議將直流開(kāi)關(guān)電源放在頂層。 圖6顯示了一種DC/DC變換器周?chē)鶪ND平面有切口的傳統(tǒng)布局。與此同時(shí)，VIN以Y形連接到底層。 

圖6: 采用傳統(tǒng)布局的MPQ4323在 PCB上的熱流動(dòng)更少

比較兩種布局之間最大 TJUNCTION （白色區(qū)域）和 TAMBIENT 之間的溫度差（ΔT）。在散熱優(yōu)化的建議布局（如圖4所示）中，ΔT為40.7°C；而在傳統(tǒng)方案中，ΔT為46.8°C。

我們推薦的布局比傳統(tǒng)布局溫度低6°C，而且并沒(méi)有使用額外的元件或更大的板空間。因此，通過(guò)巧妙布局全部5個(gè)電源引腳、設(shè)計(jì)更大的 VIN 區(qū)域以及頂層GND和底層 GND之間充足的PGND過(guò)孔，就可以實(shí)現(xiàn)散熱性能的提升。

MPQ4323-AEC1與同類(lèi)解決方案的比較

圖7將同類(lèi)解決方案（方案2）與MPQ4323-AEC1進(jìn)行了比較。注意，這兩個(gè)器件具有相同的IC封裝尺寸，并在具有相同外部組件的布局上運(yùn)行。 

圖7: 方案2的PCB散熱效果

表1列出了兩種解決方案的特性。

表1: MPQ4323與同類(lèi)解決方案的比較

說(shuō)明：

1) 效率測(cè)量包括輸入濾波器、保護(hù)二極管和功率電感損耗。

測(cè)量結(jié)果表明，MPQ4323-AEC1憑借MPS先進(jìn)的封裝技術(shù)具有更低的溫度，該技術(shù)可以將更多的熱量傳遞給PCB板。

EMC測(cè)量結(jié)果

圖8顯示了MPQ4323-AEC1在150kHz至30MHz范圍內(nèi)進(jìn)行傳導(dǎo)發(fā)射和輻射發(fā)射的CISPR25 5類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)EMC測(cè)試結(jié)果。 

圖8：傳導(dǎo)發(fā)射（150kHz至108MHz）和輻射發(fā)射（150kHz至30MHz）（通過(guò)）

圖9顯示了MPQ4323-AEC1在30MHz和200MHz范圍內(nèi)進(jìn)行傳導(dǎo)發(fā)射和輻射發(fā)射的CISPR25 5類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)EMC測(cè)試結(jié)果。 

圖9：水平輻射發(fā)射（30MHz至200MHz）和垂直輻射發(fā)射（30MHz至200MHz）（通過(guò)）

圖10顯示了MPQ4323-AEC1在200MHz和1GHz范圍內(nèi)進(jìn)行傳導(dǎo)發(fā)射和輻射發(fā)射的CISPR25 5類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)EMC測(cè)試結(jié)果。 

圖10：水平輻射發(fā)射（200MHz至1GHz）和垂直輻射發(fā)射（200MHz至1GHz）（通過(guò)）

僅采用雙層PCB設(shè)計(jì)就通過(guò)汽車(chē)級(jí)EMC要求通常是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)，但MPQ4323-AEC1的所有EMC測(cè)量結(jié)果都低于標(biāo)準(zhǔn)要求。雖然4層PCB是汽車(chē)直流開(kāi)關(guān)電源的常見(jiàn)標(biāo)準(zhǔn)解決方案，但這無(wú)疑會(huì)增加成本。本文提供的雙層PCB方案也可以通過(guò)汽車(chē)EMC要求，同時(shí)還能保持較低的溫升。

推薦PCB布局

圖10所示為推薦PCB布局。其頂層顯示出 VIN的Y形布局具有較低的阻抗和噪聲。 頂層沒(méi)有過(guò)孔和導(dǎo)體放置在IC附近。只需將從頂層到底層的過(guò)孔放置在靠近電源引腳的位置用于熱流動(dòng)。 

圖11：推薦新布局（左：頂層；右：底層）

采用更佳的組件排布之后，兩層之間僅有三條走線(xiàn)（在底層上標(biāo)記為紅色）。最長(zhǎng)的走線(xiàn)為通向FB反饋電阻的 VOUT 采樣走線(xiàn)。VOUT沒(méi)有噪聲（這有利于EMC），并且抗擾度較高。這些走線(xiàn)都被封裝在底層GND中，該層屏蔽了所有不利于EMC的跡線(xiàn)。

C13和R4之間的 VOUT 走線(xiàn)應(yīng)遠(yuǎn)離開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)，以提高對(duì)開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)快速變化產(chǎn)生的電場(chǎng)抗擾能力。 GND層內(nèi)的距離和屏蔽可減少耦合。

最敏感的走線(xiàn)是R6和反饋（FB，引腳7）之間的走線(xiàn)。該走線(xiàn)應(yīng)布于頂層，而且應(yīng)盡可能地短（幾毫米長(zhǎng)）。IC下還應(yīng)該有大而完整的GND平面，這也意味著底層的三條走線(xiàn)不應(yīng)切斷IC附近的GND平面。切割GND平面會(huì)增加與其頻率相關(guān)的阻抗。保持GND平面完整是實(shí)現(xiàn)良好EMC與電路性能的基礎(chǔ)。

設(shè)計(jì)雙層汽車(chē)用PCB時(shí)應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)：

●   頂層的熱流動(dòng)比底層更好；

●   相比更遠(yuǎn)位置的過(guò)孔，靠近電源引腳的過(guò)孔具有更好的熱流動(dòng)。

可遵循以下準(zhǔn)則優(yōu)化雙層PCB：

1. 最大化電源引腳的銅覆面，這會(huì)最大限度提高進(jìn)入PCB的有效熱流動(dòng)。

2. 電源引腳的散熱器優(yōu)先級(jí)高于模擬引腳散熱器。

3. 將電感的標(biāo)記側(cè)放置在盡可能靠近開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)的位置，并最大程度地減少其銅覆面。

4. 不要用導(dǎo)體引線(xiàn)切割冷卻功率的多邊形區(qū)域。在緊鄰電源引腳的位置，這一點(diǎn)尤為重要，因?yàn)樗鼘O大地減少?gòu)囊_流入PCB的熱量。

在考慮了每條鋪設(shè)走線(xiàn)及其對(duì)干擾、發(fā)射和抗擾度的影響之后，再恰當(dāng)?shù)剡x擇最佳位置、走線(xiàn)寬度以及過(guò)孔連接。

結(jié)語(yǔ)

高性?xún)r(jià)比的雙層PCB設(shè)計(jì)也可以在嚴(yán)苛的環(huán)境中有優(yōu)秀的表現(xiàn)。本文已經(jīng)驗(yàn)證，MPQ4323-AEC1是一種低成本的設(shè)計(jì)，它可以輕松通過(guò)CISPR25標(biāo)準(zhǔn)EMI測(cè)試和OEM限制。 在這種汽車(chē)用PCB設(shè)計(jì)中，如果給予足夠的銅覆面進(jìn)行熱耗散，在400kHz工作頻率、約100°C的環(huán)境溫度下，或在2.2MHz工作頻率、約80°C的環(huán)境溫度下，IC均能實(shí)現(xiàn)接近全輸出操作。MPS設(shè)計(jì)的散熱增強(qiáng)型引線(xiàn)框架可以實(shí)現(xiàn)高效率；是即使在緊湊且空間有限的系統(tǒng)中，也能提供熱性能出色的解決方案。