PCB热阻计算实例、设计怎么减少热阻

电脑维修

一、什么是PCB热阻？   PCB热阻是电路板热阻导率的倒数，表示PCB材料允许热量从源头移走的快慢程度。也就是说显示了PCB从热区到冷区的热传递率。   与铜平面的两个连接（散热孔和散热焊盘）会影响热阻。   
PCB过孔   热通孔为元件散热，而且散热焊盘在焊接过程中将热量均匀地分布在PCB板上。
PCB 上的几个导热焊盘   特定区域的过多热量积累会导致高纵横比通孔破裂或有源元件故障。
PCB特定区域热量过高二、PCB基本的热阻取决于哪些因素？    基板的材料特性和PCB中导体/铜原件的排列决定了热阻，了解影响热阻的因素有助于在PCB设计阶段就可以控制降低热阻。   主要有以下：

• 电子元器件排列
• 哪些元器件需要风扇或者散热片
• 放置在哪个组件附近才能获得最佳的散热效果
  

冷却水槽三、PCB热阻的测量方法1、测量热导率   典型的热阻测量方法是使用热导率。电阻是导热系数的倒数。2、防护热板法   由于PCB是二维的，因此使用方法测量完整但没有组装的PCB热阻更容易更快速。这个测试包括在热量从热点移动到其他较冷区域时测量PCB两侧的温度，这是一种直接测量热导率的方法。3、欧米茄方法   这种热电过程涉及使用交流加热器以特定频率加热PCB组件，该过程以2倍的频率产生周期性加热效应。   
欧米茄   测量温度将指示包含加热频率和 3 倍频率成分的信号，因此得名 3-Omega。热导率将与频率分量的功率和电路板的几何形状成正比，但是，这种方法只对小型 PCB 有效。   这上面这三种方法都会导致导热性，所以还是建议使用热阻计算器来确定热阻。四、热阻计算的实际案例1、线性稳压器   下面可以看到线性稳压器的基本设计：   
线性稳压器   要确定线性稳压器会不会变热很多？就需要知道以下，理想情况下，系统效率为100%，但实际上会有一些损耗，以热量的形式耗散。可以看下面这个公式：
系统功率也就是耗散功率：
耗散功率   根据欧姆定律，可以将功率写成这样：
耗散功率   对于线性稳压器，输入和输出电流相同，可以将等式简化：
耗散功率   下面就看一下线性稳压器的热特性。LM705对于所使用的TO-220封装具有以下热阻：
LM705 TO-220封装热阻
无散热片（R θJA）   对于第一个示例可以看到线性稳压器在仅仅200mA负载时会变得。LM7805 的输出电压为 5V，输入电压约为 12V。这里插入功率损耗方程：
功率损耗
功率损耗   这里要计算出没有散热器的情况下热量会增加，需要使用结到空气的热阻，即50℃/W。使用热阻部分的公式，假设环境温度为23℃，可以计算结温：
结温
结温   这里为了有个对比，测得输入电压为12V，负载下的输出电压为4.9V，这里使用一个恒流虚拟负载设置为200mA连接到输出，使用测量值，耗散功率为：
耗散功率   预期的结温是：
预期的结温
预期的结温   如上图所示，在开启负载并让调节器升温后，稳定在98℃左右的温度。这说明了添加边距的重要性。由于精度不够，电源比我们计算的略高，在负载下，稳压器有4%的输出电压容差，可以让输出电容电压低于4.8V仍然在规格范围呢内。带散热器（使用 R θJC）   现在添加了一个散热器，而不是使用从结点到空气的热阻，这里使用结点到外壳的值，约为5°C/W，查看散热器的数据规格书，自由空气中约为1.4W的功率会导致25℃的温度升高。
散热器的datasheet   因为散热器提供温升而不是热阻，所以需要使用从结到散热器的热阻计算结温升，然后加上散热器的温升和环境空气温度以获得结温。使用导热化合物可降低外壳到散热器的热阻（~0.25°C/W）。假设热阻约为1°C/W。因此，结温方程变为：
结温方程
结温方程   实际电压与没有散热器相同：Vin = 12.10V，Vout = 4.90V，Iout = 200mA。这导致实际需要的耗散的功率为1.44W，这样计算出来的结温增加为56.64°C。接通电源并使能负载后，等温度升到稳态温度，测得稳压器温度在54℃左右。
稳压器温度   这次的温度比计算的要低，错误可能来自于读取散热器静止空气中的温度。2、SMD DC/DC 转换器   这里是Buck-Boost PCB，使用TPS63070 DC-DC 转换器，该PCB为1.25x1.25 英寸，使用 1oz 铜。其他需要的是，稳压器位于PCB的中央，超过95%的实心铜。由于尺寸原因，通过使用总PCB板面积作为热阻来进行一些假设，并使用41个过孔作为过孔热阻。   首先我们需要弄清楚需要多少耗散功率，对于DC-DC转换器，输入电流不等于输出嗲崩溃，因此不能使用与线性稳压器相同的公式，这里使用数据手册中效率图进行估算：
DC-DC转换器datasheet中效率图   效率图将效率绘制成输出电流的函数，输出电流因输入和输出电压而异。对于此测试，使用与之前相同的值，输入电压为12V，输出电压为5V，这次将负载电流增加到1.0A。使用上面的5V效率图，效率应该在93%左右，将使我们的功率损失为输出功率的7%。
功率损失   对于热阻，使用过孔热阻计算器使用过孔计算工具的值将过孔的热阻尽速为 4.4°C/W 左右。为估算PCB热阻，将板抬离工作台，防止使用工作台散热器。由于PCB板底也与空气接触了，表面积现在翻了一番，从 10.08cm^2 到 20.16cm^2。根据降压-升压板的表面积，估计 PCB 的热阻约为 65°C/W。
PCB热阻 具有以下热特性：


  TPS63070 的数据表   结壳热阻不适用，但结板热阻适用，约为 13°C/W。使用热阻值，可以将其代入结温方程：
结温方程
结温方程   这里启用了虚拟负载并让电路板升温，直到温度停止上升。如下图，温度差不多为54°C。
温度   可以明显看出来，添加散热器后，温度明显降低了许多。五、降低热阻的设计   这里介绍4种降低热阻的方法。1、使用具有高导热性的材料   降低热阻最有效的方法是使用导热系数高的材料，因此带有热元件的PCB应该在平面层中铺铜，这样可以停供地热组、快速地热流路径。或者将内部饥饿第层或者电源层用于高频或者高速PCB，这样还可以隔离并频闭外部的EMI。
抗电磁干扰的专用PCB屏蔽2、将铜焊盘放在热元件下方    将铜焊盘定位在热组件下方有助于将热量从表面层带走，这些焊盘通常有连接到内部地平面的过孔。
显微镜下的 PCB 焊盘和过孔   一些组件具有导热板，就需要将这些部件焊接到导热板以实现最大的热传递。但是必须要注意放置过多或者过大的过孔会导致焊料在焊接过程中流入过孔。3、使用重铜    更重或者更厚的铜走线可以以最小的电阻运行更高的电流。电阻会导致温度升高，如果PCB必须以高功率运行，较厚的铜将保持较低的温度。4、使用替代基板材料增强散热   降低热阻有效的一种方法就是使用替代基板材料，典型的基本材料是FR4。其电导率明显低于金属和陶瓷，约为10 W/(mK)。
几个 FR4 PCB    金属和陶瓷基本具有更高的导热性，在散热方面选择他们的会更多。1）陶瓷制品陶瓷材料的导热系数范围为20-300 W/(mK)，非常适合放置在热电子元件下方或者附近，并且没有风扇或者很重散热器的缺点陶瓷还具有热膨胀系数比FR4更接近铜的优势，因此最大限度地减少了薄铜走线和通孔上的应力，但是这种材料很容易断裂。
PCB 上的无应力铜迹线和过孔   一些陶瓷材料包括：氮化硼、氧化铝、碳化硅和氮化铝。2）金属芯   金属芯 PCB通常具有导热率为 239 W/(mK) 的铝金属板基板。可以将工作表连接到附近的地平面以创建额外的 EFI 屏蔽层。除了具有更好的导电性外，金属芯还提供比陶瓷更好的机械强度和柔韧性。大功率 LED 系统通常使用金属芯 PCB，因为二极管会散发大量热量。
铝 PCB 上的大功率 LED六、减少PCB 热阻的技巧1、选择元器件和PCB基板时考虑温度系数   在前面已经讲过了，PCB的材料特性和组件决定了组件和走线的热阻。因此，应选择具有良好温度和电阻参数的元器件和 PCB 基板。例如，对于 LED 的快速热传递，铝是比 FR4 更好的材料。2、给大功率元件足够的间距    将发热元件稀疏地放置在PCB上，这样分布可以减少热点，热点可能会在装配回流期间引起问题。
白色铝 PCB 上均匀分布的大功率 LED3、使用散热孔增强散热   使用多个过孔从组件周排除热量，尤其是大功率SMD部件。通孔过孔优于埋孔、盲孔、微孔，因为可以更快地将热量从电源、PCB表面和组件中导出。
附近有过孔的 SMD 元件

• 推荐阅读：
  12V 33A开关电源（494方案）改可调电源
  
• 手持式激光测距仪全套方案（调试接口、串口、RS485接口）
• 电流传感器选型及电路设计
• 9 种电子电路保护电路工作原理+电路图