电子产品总PCB的散热设计

PCB的热设计

摘要:热分析、热设计是提高印制板热可靠性的重要措施.基于热设计的基本知识,讨论了
PCB设计中散热方式的选择、热设计和热分析的技术措施.
关键词:印制板;热设计;热分析

1、热设计的重要性
电子设备在工作期间所消耗的电能,除了有用功外,大部分转化成热量散发.电子设备产生的热量,使内部温度迅速上升,如果不及时将该热量散发,设备会继续升温,器件就会因过热失效,电子设备的可靠性将下降.
SMT使电子设备的安装密度增大,有效散热面积减小,设备温升严重地影响可靠性,因此,对热设计的研究显得十分重要.

2、印制电路板温升因素分析
引起印制板温升的直接原因是由于电路功耗器件的存在,电子器件均不同程度地存在功耗,发热强度随功耗的大小变化.
印制板中温升的2种现象:
(1)局部温升或大面积温升;
(2)短时温升或长时间温升.
在分析PCB热功耗时,一般从以下几个方面来分析.
2.1电气功耗
(1)分析单位面积上的功耗;
(2)分析PCB板上功耗的分布.
2.2印制板的结构
(1)印制板的尺寸;
(2)印制板的材料.
2.3印制板的安装方式
(1)安装方式(如垂直安装,水平安装);
(2)密封情况和离机壳的距离.
2.4热辐射
(1)印制板表面的辐射系数;
(2)印制板与相邻表面之间的温差和他们的绝对温度;
2.5热传导
(1)安装散热器;
(2)其他安装结构件的传导.
2.6热对流
(1)自然对流;
(2)强迫冷却对流.
从PCB上述各因素的分析是解决印制板的温升的有效途径,往往在一个产品和系统中这些因素是互相关联和依赖的,大多数因素应根据实际情况来分析,只有针对某一具体实际情况才能比较正确地计算或估算出温升和功耗等参数.

4、热仿真(热分析)
热分析可协助设计人员确定PCB上部件的电气性能,帮助设计人员确定元器件或PCB是否会因为高温而烧坏.简单的热分析只是计算PCB的平均温度,复杂的则要对含多个PCB和上千个元器件的电子设备建立瞬态模型.
无论分析人员在对电子设备、PCB以及电子元件建立热模型时多么小心翼翼,热分析的准确程度最终还要取决于PCB设计人员所提供的元件功耗的准确性.在许多应用中重量和物理尺寸非常重要,如果元件的实际功耗很小,可能会导致设计的安全系数过高,从而使PCB的设计采用与实际不符或过于保守的元件功耗值作为根据进行热分析,与之相反(同时也更为严重)的是热安全系数设计过低,也即元件实际运行时的温度比分析人员预测的要高,此类问题一般要通过加装散热装置或风扇对PCB进行冷却来解决.这些外接附件增加了成本,而且延长了制造时间,在设计中加入风扇还会给可靠性带来一层不稳定因素,因此PCB现在主要采用主动式而不是被动式冷却方式(如自然对流、传导及辐射散热),以使元件在较低的温度范围内工作.
热设计不良最终将使得成本上升而且还会降低可靠性,这在所有PCB设计中都可能发生,花费一些功夫准确确定元件功耗,再进行PCB热分析,这样有助于生产出小巧且功能性强的产品.应使用准确的热模型和元件功耗,以免降低PCB设计效率.