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              電路板熱設計模擬有多么重要?怎么做?

              來源:http://www.gdcwbegumpet.com/ │ 發表時間:2019-11-13 | 瀏覽數:載入中...

                 電路板熱設計模擬有多主要?怎么做?工軍小編跟你一起了解下。

                電源產品電子設備在工作期間所消耗的電能,除了有用功外,大部分轉化成熱量散發。電子設備產生的熱量,使里面溫度及時上升,如果不及時將該熱量散發,設備會繼續升溫,器件就會因過熱失效,電子設備的穩定性將下降。

               SMT(表面封裝技能)使電子設備的安裝密度增加,有用散熱面積減小,設備溫升嚴重地影響穩定性,因此,對熱設計的研究顯得比較重要。

               印制電路板溫升因素分析

               引起印制板溫升的直接原因是由于電路功耗器件的存在,電子器件均不同程度地存在功耗,發熱強度隨功耗的大小變化。印制板中溫升的2種現象:局部溫升或大面積溫升;短時溫升或長時間溫升。

               在分析PCB熱功耗時,一般從以下幾個方面來分析:

               電氣功耗:分析單位面積上的功耗;分析PCB板上功耗的分布。

               印制板的結構:印制板的尺寸;印制板的材料。

               印制板的安裝方式:安裝方式(如垂直安裝,水平安裝);密封情況和離機殼的距離。

               熱輻照:印制板表面的輻照系數;印制板與相鄰表面之間的溫差和他們的相對溫度

               熱傳導:安裝散熱器;其他安裝結構件的傳導。

               熱對流:自然對流;強迫冷卻對流。



               

              PCB上述各因素的分析是解決印制板的溫升的有用途徑,往往在一個產品和系統中這些因素是互相關聯和依賴的。大多數因素應根據實際情況來分析,只有針對某一具體實際情況才能比較正確地計算或估算出溫升和功耗等參數。

               熱設計原則

               選 材

               印制板的導線由于通過電流而引起的溫升加上規定的環境溫度應不過125 ℃(常用的典型值。根據選用的板材可能不同)。

               由于元件安裝在印制板上也發出一部分熱量,影響工作溫度,選擇材料和印制板設計時應考慮到這些因素,熱點溫度應不過125 ℃,盡可能選擇較厚一點的覆銅箔。

               不同情況下可選擇鋁基、陶瓷基等熱阻小的板材。

               采用多層板結構有幫助于PCB熱設計。

               保證散熱通道通暢

               a.利用元器件排布、銅皮、開窗及散熱孔等技能建立合理有用的低熱阻通道,保證熱量順利導出PCB。

               b.散熱通孔的設置 :設計一些散熱通孔和盲孔,可以有用地升高散熱面積和減少熱阻,升高電路板的功率密度。

               c.如在LCCC器件的焊盤上設立導通孔。在電路生產過程中焊錫將其填充,使導熱的能力升高,電路工作時產生的熱量能通過通孔或盲孔及時地傳至金屬散熱層或背面設置的銅箔散發掉。在一些特定情況下,設計和采用了有散熱層的電路板,散熱材料一般為銅/鉬等材料,如一些模塊電源上采用的印制板。

               d.導熱材料的使用 :為了減少熱傳導過程的熱阻,在高功耗器件與基材的接觸面上使用導熱材料,升高熱傳導效率。

               e.工藝方法 :對一些雙面裝有器件的區域容易引起局部高溫,為了改變散熱條件,可以在焊膏中摻入少量的細小銅料,再流焊后在器件下方焊點就有規定的高度。

               f.使器件與印制板間的間隙增加,增加了對流散熱。

               元器件的排布要求

               i.對PCB進行軟件熱分析,對里面較高溫升進行設計control;

               ii.可以考慮把發熱高、輻照大的元件設計安裝在一個印制板上;

               iii.板面熱容量均勻分布,注意不要把大功耗器件集中布放,如無法避開,則要把矮的元件放在氣流的上游,并保證豐富的冷卻風量流經熱耗集中區;

               iv.使傳熱通路盡可能的短;

               v.使傳熱橫截面盡可能的大;

               vi.元器件布局應考慮到對周圍0件熱輻照的影響。對熱敏銳的部件、元器件(含半導體器件)應遠離熱源或將其隔開;

               vii.液態介質電容器遠離熱源;

               viii.注意使強迫通風與自然通風方向相同;

               ix.附加子板、器件風道與通風方向相同;

               x.盡可能地使進氣與排氣有多的距離;

               xi.發熱器件應盡可能地置于產品的上方,條件允許時應處于氣流通道上;

               xii.熱量較大或電流較大的元器件不要放置在印制板的角落和四周邊緣,只要有可能應安裝于散熱器上,并遠離其他器件,并保證散熱通道通暢;

               xiii.小信號放大器outer ring器件盡量采用溫漂小的器件;

               xiv.盡可能地利用金屬機箱或底盤散熱。



               

              布線時的要求

               板材選擇(合理設計印制板結構);

               布線規則;

               根據器件電流密度規劃較小通道寬度;注意接合點處通道布線;

               大電流線條盡量表面化;在不能達到要求的條件下,可考慮采用匯流排;

               要盡量減少接觸面的熱阻。為此應加大熱傳導面積;接觸平面應平整、光滑,需要時可涂 覆導熱硅脂;

               熱應力點考慮應力平衡措施并加粗線條;

               散熱銅皮需采用消熱應力的開窗法,利用散熱阻焊適當開窗;

               視可能采用表面大面積銅箔;

               對印制板上的接地安裝孔采用較大焊盤,以豐富利用安裝螺栓和印制板表面的銅箔進行散熱;

               盡可能多安放金屬化過孔,且孔徑、盤面盡量大,依靠過孔幫助散熱;

               器件散熱補充手段;

               采用表面大面積銅箔可保證的情況下,出于經濟性考慮可不采用附加散熱器的方法;

               根據器件功耗、環境溫度及允許較大結溫來計算適合的表面散熱銅箔面積(保證原則tj≤(0.5~0.8)tjmax)。

               熱模擬/熱分析

               熱分析可協助設計人員明確PCB上部件的電氣性能,幫助設計人員明確元器件或PCB是否會因為高溫而燒壞。簡單的熱分析只是計算PCB的平均溫度,復雜的則要對含多個PCB和上千個元器件的電子設備建立瞬態模型。

               無論分析人員在對電子設備、PCB以及電子元件建立熱模型時多么小心翼翼,熱分析的準確程度至終還要取決于PCB設計人員所提供的元件功耗的準確性。

               在許多應用中重量和物理尺寸比較重要,如果元件的實際功耗很小,可能會導致設計的全安系數過高,從而使PCB的設計采用與實際不符或過于保守的元件功耗值作為根據進行熱分析。



               

              與之相反(同時也較為嚴重)的是熱全安系數設計過低,也即元件實際運行時的溫度比分析人員預測的要高,此類問題一般要通過加裝散熱裝置或風扇對PCB進行冷卻來解決。

               這些外接附件增加了成本,而且增加了制造時間,在設計中加入風扇還會給穩定性帶來一層不穩定因素,因此PCB現在主要采用主動式而不是被動式冷卻方式(如自然對流、傳導及輻照散熱),以使元件在較低的溫度范圍內工作。

               熱設計不好至終將使得成本上升而且還會減少穩定性,這在整個PCB設計中都可能發生,花費一些功夫準確明確元件功耗,再進行PCB熱分析,這樣有幫助于生產出小巧且功能性的強的產品。應使用準確的熱模型和元件功耗,以免減少PCB設計效率。

               元件功耗計算

               準確明確PCB元件的功耗是一個不斷重復迭代的過程,PCB設計人員需要知道元件溫度以明確出損耗功率,熱分析人員則需要知道功率損耗以便輸入到熱模型中。

               設計人員先猜測一個元件工作環境溫度或從初步熱分析中得出估計值,并將元件功耗輸入到細化的熱模型中,計算出PCB和相關元件“結點”(或熱點)的溫度,而后使用新溫度重新計算元件功耗,算出的功耗再作為下一步熱分析過程的輸入。

               在理想的情況下,該過程一直進行下去直到其數值不需要改變為止。然而PCB設計人員通常面臨需要及時完成任務的壓力,他們沒有豐富的時間進行耗時重復的元器件電氣及熱性能明確工作。

               一個簡化的方法是估算PCB的總功耗,將其作為一個作用于整個PCB表面的均勻熱流通量。熱分析可預測出平均環境溫度,使設計人員用于計算元器件的功耗,通過進一步重復計算元件溫度知道是否還需要作其他工作。一般電子元器件制造商都提供有元器件規格,包括正常工作的較高溫度。

               元件性能通常會受環境溫度或元件里面溫度的影響,消費類電子產品常采用塑封元件,其工作高溫度是85 ℃;而軍方用產品常使用陶瓷件,工作高溫度為125 ℃,額定高溫度通常是105 ℃。PCB設計人員可利用器件制造商提供的“溫度/功率”弧線明確出某個溫度下元件的功耗。

               計算元件溫度較準確的方法是作瞬態熱分析,但是明確元件的瞬時功耗比較困難。一個比較好的折衷方法是在穩態條件下分別進行額定和較差狀況分析。

               PCB受到各樣類型熱量的影響,可以應用的典型熱邊界條件包括:前后表面發出的自然或enforce對流,前后表面發出的熱輻照,從PCB邊緣到設備外殼的傳導,通過剛性或撓性連接器到其他PCB的傳導,從PCB到支架(螺栓或粘合固定)的傳導,2個PCB夾層之間散熱器的傳導。

               目前有很多種形式的熱模擬工具,基本熱模型及分析工具包括分析任意結構的通用工具、用于系統流程/傳熱分析的計算流體動力學(CFD)工具,以及用于詳細PCB和元件建模的PCB應用工具。

               基本過程

               在不影響并有幫助于升高系統電性能指標的前提下,依據提供的成熟經驗,加速PCB熱設計。在系統及熱分析預估及器件熱設計的基礎上,通過板熱模仿預估熱設計結果,尋找設計缺陷,并提供系統解決方案或變換器件解決方案。

               通過熱性能測量對熱設計的方法進行檢驗,對方案的適用性和有用性進行評價。通過預估-設計-測量-反饋重復不斷的實踐流程,修正并積累熱模擬模型,加快熱模擬速度,升高熱模擬精度,補充PCB熱設計經驗。

                上海工軍電子有限公司專注于電力電子、電能變換及control領域產品的研發、生產、銷售和服務的革新型企業,目前公司產品主要包括:①模塊:軍方用電源模塊及工業電源模塊產品,應用于各列裝及系統配套。②設備:電力電子設備,普遍服務于military industry生產測試、質檢驗證、高等裝備等。③系統集成:編程測試系統,服務于military industry研制驗證及老化、新能源汽車產業測試等。

                咨詢熱線:021-54787713.網址:http://www.gdcwbegumpet.com


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