CFD建模方法在PCB熱設計中的應用

隨著多相穩(wěn)壓器應用所需的功率等級越來越高，而可用電路板面積不斷減少，PCB布線設計已成為穩(wěn)壓器熱設計的重要組成部分。 PCB板可以幫助散發(fā)穩(wěn)壓器產生的大部分熱量，而且在很多情況下它是唯一的散熱方式。 精心設計的布線可以通過增強 MOSFET 和 IC 周圍的有效導熱性來提高電路板的熱性能。

另一方面，為了降低成本，需要減少不必要的布線。 因此，為了滿足上述目標，必須在設計階段評估和調整穩(wěn)壓器周圍PCB的熱導率變化及其對穩(wěn)壓器熱性能的影響。

常見的熱分析方法是根據(jù)銅層的數(shù)量、厚度和覆蓋百分比以及電路板的總厚度，計算整個電路板的有效平行和法向導熱系數(shù)的平均值，然后計算導熱系數(shù) 使用平均平行熱導率和法向熱導率來計算電路板的熱導率。 然而，當必須考慮 PCB 導熱系數(shù)的局部變化時，該方法并不適用。

Icepak是一款熱建模軟件工具，可用于研究電路板導熱系數(shù)的局部變化。 除了計算流體動力學（CFD）功能外，該軟件工具還考慮了電路板的布線和過孔，然后計算整個電路板上的熱導率分布。 這個特性使得Icepak非常適合接下來的研究工作。

原始設計和模型驗證

Icepak模型是根據(jù)1U服務器應用程序中的ECAD文件創(chuàng)建的。 將原始電路板的布線和過孔信息導入到模型中。

為了檢查熱導率分布，可以將45℃恒溫邊界條件分配給PCB的背面，而將均勻熱流邊界條件分配給頂部。

溫度高表示導熱系數(shù)低，溫度低表示導熱系數(shù)高。 從圖中可以看出，沒有布線的區(qū)域溫度較高，布線較多的區(qū)域溫度較低。 在大過孔區(qū)域，溫度接近45℃。

這說明熱導率分布與原設計中的走線分布一致。 為了獲得小孔的局部效果，應該使用較小的背景網格尺寸。

本例中，背景網格尺寸為1×1mm。每個網格包含一個電路板單元，該電路板單元在X、Y、Z坐標方向上具有自己的導熱系數(shù)。 一般來說，它們具有不同的值。

在此模型中，調節(jié)器組件和接線的功率損耗。 這些功率損耗值已在之前的測試中得到驗證。

1U應用模型，電路板上方有氣流。 環(huán)境溫度25℃，內部空氣流量400LFM。 圖2b顯示了電路板的上表面和元件的溫度。 溫度較高的元件是穩(wěn)壓器中的MOSFET。

將各關鍵部件組的最高溫度仿真結果與試驗結果進行比較，發(fā)現(xiàn)具有良好的一致性。

減少電路板布線

原來的PCB設計有比較大的布線覆蓋范圍，目的是增加電路板內的熱量散發(fā)，從而降低穩(wěn)壓器的溫度。 但在某些情況下，為了降低成本，應減少布線覆蓋范圍，不宜使用散熱器。 因此，將修改布線，然后使用驗證模型來預測穩(wěn)壓器溫度。 PCB組裝和PCB加工制造商介紹CFD建模方法在PCB熱設計中的應用。