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

發(fā)布時間:2023-05-08 來源:MPS 責任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】汽車電子供應(yīng)商在爭相提供自動化、互聯(lián)化和電氣化解決方案的競賽中面臨不斷增長的成本壓力。而采用雙層PCB設(shè)計是降低成本的一種有效方法。但雙層PCB需要十分謹慎的設(shè)計,因為其散熱特性不佳,有可能導(dǎo)致性能的降級。


在本文中,汽車專家將以MPS的MPQ4323-AEC1 為例給出實用建議,說明如何微調(diào)雙層PCB的電路和布局設(shè)計,以實現(xiàn)最佳散熱特性,同時符合CISPR25 5類標準。


采用雙層PCB布局


PCB的層數(shù)取決于PCB空間、組件數(shù)量以及計劃投入的生產(chǎn)成本。硬件設(shè)計師通常只有兩層電路板可用。在汽車用雙層PCB設(shè)計中,需要對DC開關(guān)電源的組件進行小心排布,才能滿足EMC以及散熱要求。


設(shè)計方法


本文測試了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,同時具有不同的多邊形排布和過孔位置(見圖1)。我們測試這九種不同的布局,以期找到能夠改進EMC和散熱性能的最佳方案。下文將重點介紹這些布局之間的散熱性能和EMC性能差異。


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圖1: 9種不同布局的PCB面板


雙層布局設(shè)計建議


通過遵循一定的設(shè)計原則,可以實現(xiàn)散熱與EMC同時優(yōu)化的解決方案。以MPS的MPQ4323-AEC1為例(見圖2),該直流開關(guān)電源采用散熱性能優(yōu)化的雙層布局,并符合汽車級EMC CISPR25 Class 5的要求。 


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圖2:符合汽車級EMC標準且優(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。 


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圖3: MPQ4323雙層PCB的組件排布


上述推薦布局具有實心頂部、底部GND平面和一個較大的 VIN 多邊形。它還利用了PGND 過孔來連接頂層和底層。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 過孔則連接頂層和底層,充當次級散熱器。 


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圖4: MPQ4323雙層PCB散熱圖


電感(L3)也是有效的散熱器(見圖4)。在本示例中,引腳12上的開關(guān)節(jié)點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。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,要實現(xiàn)最佳EMC,還需將電感繞組的標記側(cè)與引腳12對齊。這樣,電感的外部銅繞組能夠屏蔽電感線圈內(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。 


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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PCB內(nèi)部引線框架直接連接到上、下管MOSFET(分別為HS-FET和LS-FET)處。引線框架直接焊連在芯片內(nèi)核下方,可以實現(xiàn)最有效的熱流動。


靠近MOSFET的芯片部位熱量更高,因為那里正是內(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在引線框架上的內(nèi)部長度較短;相比而言模擬引腳(BOOT、VCC、AGND、FB、PG和EN)沒有如此高的導(dǎo)熱能力。因此,在設(shè)計布局時,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。


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


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圖6: 采用傳統(tǒng)布局的MPQ4323在 PCB上的熱流動更少


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,而且并沒有使用額外的元件或更大的板空間。因此,通過巧妙布局全部5個電源引腳、設(shè)計更大的 VIN 區(qū)域以及頂層GND和底層 GND之間充足的PGND過孔,就可以實現(xiàn)散熱性能的提升。


MPQ4323-AEC1與同類解決方案的比較


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


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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與同類解決方案的比較

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說明:


1) 效率測量包括輸入濾波器、保護二極管和功率電感損耗。


測量結(jié)果表明,MPQ4323-AEC1憑借MPS先進的封裝技術(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測量結(jié)果


圖8顯示了MPQ4323-AEC1在150kHz至30MHz范圍內(nèi)進行傳導(dǎo)發(fā)射和輻射發(fā)射的CISPR25 5類標準EMC測試結(jié)果。 


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


圖9顯示了MPQ4323-AEC1在30MHz和200MHz范圍內(nèi)進行傳導(dǎo)發(fā)射和輻射發(fā)射的CISPR25 5類標準EMC測試結(jié)果。 


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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)


圖10顯示了MPQ4323-AEC1在200MHz和1GHz范圍內(nèi)進行傳導(dǎo)發(fā)射和輻射發(fā)射的CISPR25 5類標準EMC測試結(jié)果。 


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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)


僅采用雙層PCB設(shè)計就通過汽車級EMC要求通常是一項艱巨的任務(wù),但MPQ4323-AEC1的所有EMC測量結(jié)果都低于標準要求。雖然4層PCB是汽車直流開關(guān)電源的常見標準解決方案,但這無疑會增加成本。本文提供的雙層PCB方案也可以通過汽車EMC要求,同時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。 頂層沒有過孔和導(dǎo)體放置在IC附近。只需將從頂層到底層的過孔放置在靠近電源引腳的位置用于熱流動。 


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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(在底層上標記為紅色)。最長的走線為通向FB反饋電阻的 VOUT 采樣走線。VOUT沒有噪聲(這有利于EMC),并且抗擾度較高。這些走線都被封裝在底層GND中,該層屏蔽了所有不利于EMC的跡線。


C13和R4之間的 VOUT 走線應(yīng)遠離開關(guān)節(jié)點,以提高對開關(guān)節(jié)點快速變化產(chǎn)生的電場抗擾能力。 GND層內(nèi)的距離和屏蔽可減少耦合。


最敏感的走線是R6和反饋(FB,引腳7)之間的走線。該走線應(yīng)布于頂層,而且應(yīng)盡可能地短(幾毫米長)。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不應(yīng)切斷IC附近的GND平面。切割GND平面會增加與其頻率相關(guān)的阻抗。保持GND平面完整是實現(xiàn)良好EMC與電路性能的基礎(chǔ)。


設(shè)計雙層汽車用PCB時應(yīng)考慮以下幾點:


●   頂層的熱流動比底層更好;

●   相比更遠位置的過孔,靠近電源引腳的過孔具有更好的熱流動。


可遵循以下準則優(yōu)化雙層PCB:


1. 最大化電源引腳的銅覆面,這會最大限度提高進入PCB的有效熱流動。

2. 電源引腳的散熱器優(yōu)先級高于模擬引腳散熱器。

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

4. 不要用導(dǎo)體引線切割冷卻功率的多邊形區(qū)域。在緊鄰電源引腳的位置,這一點尤為重要,因為它將極大地減少從引腳流入PCB的熱量。


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


結(jié)語


高性價比的雙層PCB設(shè)計也可以在嚴苛的環(huán)境中有優(yōu)秀的表現(xiàn)。本文已經(jīng)驗證,MPQ4323-AEC1是一種低成本的設(shè)計,它可以輕松通過CISPR25標準EMI測試和OEM限制。 在這種汽車用PCB設(shè)計中,如果給予足夠的銅覆面進行熱耗散,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均能實現(xiàn)接近全輸出操作。MPS設(shè)計的散熱增強型引線框架可以實現(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。



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