CFD建模方法在PCB熱設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

隨著多相穩(wěn)壓器應(yīng)用所需的功率等級(jí)越來(lái)越高，而可用電路板面積不斷減少，PCB布線設(shè)計(jì)已成為穩(wěn)壓器熱設(shè)計(jì)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，而且在很多情況下它是唯一的散熱方式。 精心設(shè)計(jì)的布線可以通過(guò)增強(qiáng) MOSFET 和 IC 周圍的有效導(dǎo)熱性來(lái)提高電路板的熱性能。

另一方面，為了降低成本，需要減少不必要的布線。 因此，為了滿足上述目標(biāo)，必須在設(shè)計(jì)階段評(píng)估和調(diào)整穩(wěn)壓器周圍PCB的熱導(dǎo)率變化及其對(duì)穩(wěn)壓器熱性能的影響。

常見的熱分析方法是根據(jù)銅層的數(shù)量、厚度和覆蓋百分比以及電路板的總厚度，計(jì)算整個(gè)電路板的有效平行和法向?qū)嵯禂?shù)的平均值，然后計(jì)算導(dǎo)熱系數(shù) 使用平均平行熱導(dǎo)率和法向熱導(dǎo)率來(lái)計(jì)算電路板的熱導(dǎo)率。 然而，當(dāng)必須考慮 PCB 導(dǎo)熱系數(shù)的局部變化時(shí)，該方法并不適用。

Icepak是一款熱建模軟件工具，可用于研究電路板導(dǎo)熱系數(shù)的局部變化。 除了計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）功能外，該軟件工具還考慮了電路板的布線和過(guò)孔，然后計(jì)算整個(gè)電路板上的熱導(dǎo)率分布。 這個(gè)特性使得Icepak非常適合接下來(lái)的研究工作。

原始設(shè)計(jì)和模型驗(yàn)證

Icepak模型是根據(jù)1U服務(wù)器應(yīng)用程序中的ECAD文件創(chuàng)建的。 將原始電路板的布線和過(guò)孔信息導(dǎo)入到模型中。

為了檢查熱導(dǎo)率分布，可以將45℃恒溫邊界條件分配給PCB的背面，而將均勻熱流邊界條件分配給頂部。

溫度高表示導(dǎo)熱系數(shù)低，溫度低表示導(dǎo)熱系數(shù)高。 從圖中可以看出，沒(méi)有布線的區(qū)域溫度較高，布線較多的區(qū)域溫度較低。 在大過(guò)孔區(qū)域，溫度接近45℃。

這說(shuō)明熱導(dǎo)率分布與原設(shè)計(jì)中的走線分布一致。 為了獲得小孔的局部效果，應(yīng)該使用較小的背景網(wǎng)格尺寸。

本例中，背景網(wǎng)格尺寸為1×1mm。每個(gè)網(wǎng)格包含一個(gè)電路板單元，該電路板單元在X、Y、Z坐標(biāo)方向上具有自己的導(dǎo)熱系數(shù)。 一般來(lái)說(shuō)，它們具有不同的值。

在此模型中，調(diào)節(jié)器組件和接線的功率損耗。 這些功率損耗值已在之前的測(cè)試中得到驗(yàn)證。

1U應(yīng)用模型，電路板上方有氣流。 環(huán)境溫度25℃，內(nèi)部空氣流量400LFM。 圖2b顯示了電路板的上表面和元件的溫度。 溫度較高的元件是穩(wěn)壓器中的MOSFET。

將各關(guān)鍵部件組的最高溫度仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)具有良好的一致性。

減少電路板布線

原來(lái)的PCB設(shè)計(jì)有比較大的布線覆蓋范圍，目的是增加電路板內(nèi)的熱量散發(fā)，從而降低穩(wěn)壓器的溫度。 但在某些情況下，為了降低成本，應(yīng)減少布線覆蓋范圍，不宜使用散熱器。 因此，將修改布線，然后使用驗(yàn)證模型來(lái)預(yù)測(cè)穩(wěn)壓器溫度。 PCB組裝和PCB加工制造商介紹CFD建模方法在PCB熱設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。