無論是使用電力電子設備，嵌入式系統(tǒng)，工業(yè)設備，還是設計新的主板，都必須應對系統(tǒng)中的溫度上升問題。持續(xù)高溫運行會縮短電路板壽命，甚至可能導致系統(tǒng)某些關鍵點出現(xiàn)故障。在設計過程中盡早考慮散熱，有助于延長電路板和組件的使用壽命。

散熱設計從估算工作溫度開始

在開始新設計之前，需要考慮電路板運行的溫度，電路板的工作環(huán)境以及組件的功耗。這些因素共同作用，可以確定電路板和組件的工作溫度。這也將有助于定制散熱的策略。

將電路板放在環(huán)境溫度較高的環(huán)境中會使其保持更多的熱量，因此它將在較高的溫度下運行。耗散更多功率的組件將需要更高效的冷卻方法，好將溫度保持在設定水平。重要的行業(yè)標準可能會規(guī)定操作期間組件和基板的最高溫度。

在設計散熱管理策略之前，請務必檢查數(shù)據(jù)表中組件的允許工作溫度以及重要行業(yè)標準中的規(guī)定溫度。需要將主動和被動冷卻與正確的電路板布局結合起來，以便防止損壞電路板。

主動冷卻與被動冷卻：哪種適合你的電路板？

這是任何設計師都應考慮的重要問題。通常，當環(huán)境溫度遠低于工作溫度時，被動冷卻效果最佳。系統(tǒng)與環(huán)境之間的熱梯度會很大，從而迫使較大的熱流從您的組件和電路板本身散發(fā)出去。使用主動冷卻，即使環(huán)境溫度更高，也可以根據(jù)主動冷卻系統(tǒng)提供更好的降溫效果。

被動冷卻 ·
應嘗試將有源組件的被動冷卻降至最低水平，好讓熱量散布到接地層中。許多有源組件包括位于封裝底部的散熱墊，允許熱量通過縫合過孔散發(fā)到附近的接地層。然后，這些縫合通孔一直延伸到組件下方的銅墊。有一些 PCB 計算器可以用于估計組件下方所需的銅墊的大小。

顯然，組件下方的銅墊不能延伸超出實際組件的邊緣，因為這會干擾表面安裝墊或通孔引腳。如果單個墊不能將溫度降低到所需水平，則可能需要在設備頂部添加散熱器以散發(fā)更多的熱量。還可以使用導熱墊或導熱膏增加進入散熱器的熱通量。

蒸發(fā)冷卻是另一種選擇。但是，蒸發(fā)冷卻組件非常笨重，因此不適用于許多系統(tǒng)。如果系統(tǒng)泄漏或破裂，則整個板上都會有液體泄漏。此時，不妨采用主動冷卻方法，提供相同或更好的散熱效果。

主動散熱 ·
如果您需要進一步降低諸如 FPGA，CPU 或其他具有高開關速度的有源組件的溫度，則當被動冷卻無法解決問題時，可能需要使用風扇進行主動冷卻。風扇并不是一直以全速運轉，有時甚至可能不會打開。溫度較高的組件和產(chǎn)生更多熱量的組件需要風扇以更快的速度運行。

風扇嘈雜，因為 PWM 信號會因開關而產(chǎn)生一些噪聲。開發(fā)板將需要一個電路來生成 PWM 信號以控制風扇速度，還需要一個傳感器來測量相關組件的溫度。帶有電子開關控制器的交流驅動風扇還會在基本開關頻率和每個高次諧波處產(chǎn)生輻射 EMI。如果使用風扇，附近的走線組件將需要具有足夠的噪聲抑制 / 抗擾度。

還可以使用冷卻液或制冷劑等主動冷卻系統(tǒng)提供大量的冷卻。這是一種不常見的解決方案，因為它需要泵或壓縮機才能使冷卻液或制冷劑流過系統(tǒng)。例如，在高性能游戲計算機中使用水冷系統(tǒng)來冷卻 GPU。

最后
一些簡單的熱設計指南

在信號走線下方使用接地層可改善信號完整性和噪聲抑制性能，它還可以充當散熱器。帶有導熱墊的組件可將縫合過孔向下延伸至接地層，這將使接地層更容易耗散表面層的熱量。然后，在表層上的跡線中產(chǎn)生的熱量很容易散發(fā)到接地層中。

載有大電流的走線，特別是直流電路中的走線，將需要具有更大的銅重量，以便在電路板上散發(fā)適量的熱量。這可能需要比通常在高速或高頻設備中使用的走線更寬的走線。幾何形狀會影響交流信號的走線阻抗，這意味著您可能需要更改堆疊，以使阻抗與信號標準或源 / 負載組件中定義的值保持匹配。

當心電路板中的熱循環(huán)，因為在高和低值之間反復進行溫度循環(huán)會導致應力累積在通孔和走線中。這會導致高縱橫比的通孔中的管破裂。長時間循環(huán)還會在表面層上造成痕跡分層，從而破壞電路板。

審核編輯 黃昊宇