?周末随想：BUCK变换器多层PCB热设计技巧
时间：2021-08-19 16:35:15
[导读]实际的应用中，很多降压型BUCK变换器，通常要利用连接到相应管脚的大片PCB铜皮来散热：单芯片的BUCK电源IC，主要利用IC的GND管脚，焊接到PCB的GND铜皮来散热；部分内部封装分立MOSFET的BUCK电源IC，以及采用分立方案的BUCK变换器，如使用控制器驱动分立MOS...
实际的应用中，很多降压型BUCK变换器，通常要利用连接到相应管脚的大片PCB铜皮来散热：单芯片的BUCK电源IC，主要利用IC的GND管脚，焊接到PCB的GND铜皮来散热；部分内部封装分立MOSFET的BUCK电源IC，以及采用分立方案的BUCK变换器，如使用控制器驱动分立MOSFET、Power Stage、Power Block或 DrMOS，都会利用开关节点SW对应的管脚，焊接到PCB的铜皮来散热。本文主要讨论使用SW铺设PCB铜皮时，如何优化PCB的设计，来优化PCB的散热性能。
前面研究过：器件散热管脚对应的PCB板铜皮铺的面积越大，总热阻就越低，器件的温升就越低，由于PCB板上其他元件及PCB本身尺寸的限制，散热铜皮铺设的面积也就受到限制。那么，对于多层PCB板，如何在各层铺设铜皮，比较优化？
下面以一个使用开关节点SW管脚来散热的BUCK电源IC来研究这个问题，输入电压：12V，输出电压：5V，输出电流：4A，工作频率：500KHz，4层PCB板，1OZ覆铜。
PCB的设计1：开关节点SW管脚下面，4层PCB板每层都铺设相应的SW铜皮，然后用多个过孔连接4层PCB的SW铜皮，特别是IC底部SW管脚下面，布设多个过孔。
图1：PCB的设计1
PCB的设计2：开关节点SW管脚下面，4层PCB板每层都铺设相应的SW铜皮，然后用多个过孔连接4层PCB的SW铜皮，但是，IC底部SW管脚下面没有布设过孔。
图2：PCB的设计2
PCB的设计3：开关节点SW管脚下面，只有PCB的顶层铺设SW铜皮，其他层对应的位置，镂空。
图3：PCB的设计3
PCB的设计4：开关节点SW管脚下面，只有PCB板的顶层铺设SW铜皮，其他层对应的位置都为GND铜皮平面。
图4：PCB的设计4
测量4种条件下IC的温度，结果如图5、图6、图7、图8所示。
图5：PCB设计1的IC温度
图6：PCB设计2的IC温度
图7：PCB设计3的IC温度图8：PCB设计4的IC温度
由实验的结果，可以得到以下结论：
（1）电源IC芯片用来散热的管脚，使用大的散热铜皮和多层铜皮，直接在散热管脚下面布设过孔连接这些多层铜皮，可以极大提高散热性能。但是，多层铺设SW铜皮，如果SW管脚下面不直接布设过孔，会极大影响散热性能。
（2）多层PCB板，即使仅有顶层铺设SW铜皮，只要第2层铺设GND铜皮平面，可以达到多层铺设SW铜皮同样的散热效果。由于顶层和第2层的距离比较近，热量可以有效的通过传导和辐射的方式，到达第2层GDN平面，然后散出去；而且，这种设计对系统的干扰最小。
（3）只有顶层孤岛的铜皮、下方镂空的设计，散热效果最差。
前面研究过：器件散热管脚对应的PCB板铜皮铺的面积越大，总热阻就越低，器件的温升就越低，由于PCB板上其他元件及PCB本身尺寸的限制，散热铜皮铺设的面积也就受到限制。那么，对于多层PCB板，如何在各层铺设铜皮，比较优化？
下面以一个使用开关节点SW管脚来散热的BUCK电源IC来研究这个问题，输入电压：12V，输出电压：5V，输出电流：4A，工作频率：500KHz，4层PCB板，1OZ覆铜。
PCB的设计1：开关节点SW管脚下面，4层PCB板每层都铺设相应的SW铜皮，然后用多个过孔连接4层PCB的SW铜皮，特别是IC底部SW管脚下面，布设多个过孔。
图1：PCB的设计1
PCB的设计2：开关节点SW管脚下面，4层PCB板每层都铺设相应的SW铜皮，然后用多个过孔连接4层PCB的SW铜皮，但是，IC底部SW管脚下面没有布设过孔。
图2：PCB的设计2
PCB的设计3：开关节点SW管脚下面，只有PCB的顶层铺设SW铜皮，其他层对应的位置，镂空。
图3：PCB的设计3
PCB的设计4：开关节点SW管脚下面，只有PCB板的顶层铺设SW铜皮，其他层对应的位置都为GND铜皮平面。
图4：PCB的设计4
测量4种条件下IC的温度，结果如图5、图6、图7、图8所示。
图5：PCB设计1的IC温度
图6：PCB设计2的IC温度
图7：PCB设计3的IC温度图8：PCB设计4的IC温度
由实验的结果，可以得到以下结论：
（1）电源IC芯片用来散热的管脚，使用大的散热铜皮和多层铜皮，直接在散热管脚下面布设过孔连接这些多层铜皮，可以极大提高散热性能。但是，多层铺设SW铜皮，如果SW管脚下面不直接布设过孔，会极大影响散热性能。
（2）多层PCB板，即使仅有顶层铺设SW铜皮，只要第2层铺设GND铜皮平面，可以达到多层铺设SW铜皮同样的散热效果。由于顶层和第2层的距离比较近，热量可以有效的通过传导和辐射的方式，到达第2层GDN平面，然后散出去；而且，这种设计对系统的干扰最小。
（3）只有顶层孤岛的铜皮、下方镂空的设计，散热效果最差。
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