PCB 銅層散熱

在某些應(yīng)用中，可以利用 PCB 的銅層來(lái)幫助散熱，這前提是 PCB 上有足夠的空間，以形成足夠大的散熱面積。為了確保良好的熱傳導(dǎo)，器件的金屬片（Tab）或焊塊（Slug）通常會(huì)直接焊接在 PCB 上。

另一種方法是使用帶金屬底板（如鋁或銅）的 PCB，常見(jiàn)于 LED 燈具等場(chǎng)景，其中 PCB 被粘附在一塊鋁基板上，以加強(qiáng)熱傳導(dǎo)。

如果預(yù)算允許且設(shè)計(jì)上有需求，還可以在 PCB 中嵌入一塊銅塊，稱為“銅幣（Copper Coin）”。這使得功耗元件可以與其進(jìn)行熱耦合（見(jiàn)圖3）。當(dāng)應(yīng)用場(chǎng)景為密封結(jié)構(gòu)且無(wú)法設(shè)置通風(fēng)口時(shí)，這種方案將非常有幫助。

添加散熱器

散熱器和 PCB 通常采用鋁或銅材料，通過(guò)在總質(zhì)量與表面積之間取得平衡，實(shí)現(xiàn)期望的散熱效果。這些結(jié)構(gòu)通常帶有多條散熱鰭片或尖刺，以最大化與空氣的接觸面積。

兩種材料都具備良好的導(dǎo)熱性能（鋁為237W/mK，銅為401W/mK），但原材料成本方面，鋁的價(jià)格約為銅的三分之一。

為實(shí)現(xiàn)良好的熱傳導(dǎo)，通常需要在功率器件的金屬焊盤(pán)和散熱器之間使用導(dǎo)熱墊片或?qū)岣?，并通過(guò)螺絲固定。

要計(jì)算使用散熱器后的總熱阻（RTOTAL），需要知道器件的結(jié)到殼體熱阻（ RθJC）、散熱器的熱阻、導(dǎo)熱膏或?qū)釅|片的熱阻。

假設(shè) RθJC = 1.7°C/W，散熱器為2.67°C/W，導(dǎo)熱膏為0.33°C/W，則總熱阻為RTOTAL = 1.7 + 2.67 + 0.33 = 4.7°C/W。這套配置的工作溫度可通過(guò)以下公式計(jì)算：(PD?× RTOTAL) + TA，若在環(huán)境溫度（TA）為30°C 下耗散5W 功率，則器件的運(yùn)行溫度為：(5 × 4.7) + 30 = 53.5°C

TCI系列的創(chuàng)新解決方案

在某些情況下，僅依靠散熱器不足以滿足系統(tǒng)要求，特別是在極端工況下。這時(shí)可以考慮主動(dòng)散熱，最常見(jiàn)的方式就是集成風(fēng)扇。

雖然這種方式合理有效，但風(fēng)扇本身也可能成為潛在的故障點(diǎn)。當(dāng)電源轉(zhuǎn)換器依賴強(qiáng)制風(fēng)冷來(lái)維持設(shè)備在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)運(yùn)行時(shí)，必須確保風(fēng)扇在啟用時(shí)能夠正常旋轉(zhuǎn)，甚至建議持續(xù)監(jiān)控其轉(zhuǎn)速。

幸運(yùn)的是，許多半導(dǎo)體廠商都提供專用的風(fēng)扇控制器，例如 Microchip Technology 的EMC2301。這類基于 I2C/SMBus 接口的設(shè)備不僅易于與微控制器集成，還通常具備閉環(huán)控制功能，并支持對(duì)風(fēng)扇狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

另外，液冷也是一種可選的散熱方案。這種方式在電動(dòng)汽車中非常常見(jiàn)，其中 IGBT、MOSFET 以及功率模塊通常被集成在高功率密度的電機(jī)逆變器和電源轉(zhuǎn)換器中。

總結(jié)

隨著應(yīng)用對(duì)電源模塊（PSU）的小型化、高集成度和高功率密度需求日益增長(zhǎng)，熱設(shè)計(jì)在系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中的重要性也不斷提升。然而，應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)的方法需依據(jù)具體的預(yù)算和設(shè)計(jì)限制而定。

最常見(jiàn)且成本最低的方式是采用自然對(duì)流結(jié)合散熱器的被動(dòng)散熱方案。若被動(dòng)方式無(wú)法滿足要求，下一步則是采用主動(dòng)散熱，例如使用風(fēng)扇進(jìn)行強(qiáng)制通風(fēng)。但這也意味著風(fēng)扇需進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控——一旦風(fēng)扇失效，電源可能迅速過(guò)熱并損壞。

因此，在進(jìn)行熱管理設(shè)計(jì)時(shí)，務(wù)必仔細(xì)閱讀產(chǎn)品的數(shù)據(jù)手冊(cè)和安裝指南。如有任何不明確之處，像 Traco Power 這樣的供應(yīng)商始終愿意提供專業(yè)的技術(shù)支持。

文章作者：Simeon Tremp，產(chǎn)品經(jīng)理