簡(jiǎn)介

汽車電子供應(yīng)商在爭(zhēng)相提供自動(dòng)化、互聯(lián)化和電氣化解決方案的競(jìng)賽中面臨不斷增長(zhǎng)的成本壓力。而采用雙層PCB設(shè)計(jì)是降低成本的一種有效方法。但雙層PCB需要十分謹(jǐn)慎的設(shè)計(jì)，因?yàn)槠渖崽匦圆患?，有可能?dǎo)致性能的降級(jí)。

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

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(jì)劃投入的生產(chǎn)成本。硬件設(shè)計(jì)師通常只有兩層電路板可用。在汽車用雙層PCB設(shè)計(jì)中，需要對(duì)DC開關(guān)電源的組件進(jìn)行小心排布，才能滿足EMC以及散熱要求。

相關(guān)內(nèi)容

設(shè)計(jì)方法

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

雙層布局設(shè)計(jì)建議

通過遵循一定的設(shè)計(jì)原則，可以實(shí)現(xiàn)散熱與EMC同時(shí)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(jí)EMC CISPR25 Class 5的要求。

圖3顯示了基于以上示意圖的PCB組件排布。

上述推薦布局具有實(shí)心頂部、底部GND平面和一個(gè)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(dāng)次級(jí)散熱器。

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(diǎn)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(shí)現(xiàn)最佳EMC，還需將電感繞組的標(biāo)記側(cè)與引腳12對(duì)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。

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(shí)現(xiàn)最有效的熱流動(dòng)。

靠近MOSFET的芯片部位熱量更高，因?yàn)槟抢镎莾?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(cè)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(zhǎng)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(jì)布局時(shí)，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(dāng)頂層GND和底層GND之間的過孔越靠近電源引腳時(shí)，熱流動(dòng)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(huì)因?yàn)殂~覆面太少而阻礙頂層的熱流動(dòng)。

頂層具有直接的銅連接用于熱流動(dòng)非常重要。與此同時(shí)，由于與過孔之間的熱串聯(lián)，底層散熱較差。因此，為實(shí)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(shí)，VIN以Y形連接到底層。

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