【導(dǎo)讀】汽車電子供應(yīng)商在爭相提供自動(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。
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。
圖1: 9種不同布局的PCB面板
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2：符合汽車級(jí)EMC標(biāo)準(zhǔn)且優(yōu)化了散熱性能的MPQ4323原理圖
圖3顯示了基于以上示意圖的PCB組件排布。
圖3: MPQ4323雙層PCB的組件排布
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。
圖4: MPQ4323雙層PCB散熱圖
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。
圖5: MPQ4323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。
圖6: 采用傳統(tǒng)布局的MPQ4323在 PCB上的熱流動(dòng)更少
比較兩種布局之間最大 TJUNCTION （白色區(qū)域）和 TAMBIENT 之間的溫度差（ΔT）。在散熱優(yōu)化的建議布局（如圖4所示）中，ΔT為40.7°C；而在傳統(tǒng)方案中，ΔT為46.8°C。
我們推薦的布局比傳統(tǒng)布局溫度低6°C，而且并沒有使用額外的元件或更大的板空間。因此，通過巧妙布局全部5個(gè)電源引腳、設(shè)計(jì)更大的 VIN 區(qū)域以及頂層GND和底層 GND之間充足的PGND過孔，就可以實(shí)現(xiàn)散熱性能的提升。
MPQ4323-AEC1與同類解決方案的比較
圖7將同類解決方案（方案2）與MPQ4323-AEC1進(jìn)行了比較。注意，這兩個(gè)器件具有相同的IC封裝尺寸，并在具有相同外部組件的布局上運(yùn)行。
圖7: 方案2的PCB散熱效果
表1列出了兩種解決方案的特性。
表1: MPQ4323與同類解決方案的比較
說明：
1) 效率測(cè)量包括輸入濾波器、保護(hù)二極管和功率電感損耗。
測(cè)量結(jié)果表明，MPQ4323-AEC1憑借MPS先進(jìn)的封裝技術(shù)具有更低的溫度，該技術(shù)可以將更多的熱量傳遞給PCB板。
EMC測(cè)量結(jié)果
圖8顯示了MPQ4323-AEC1在150kHz至30MHz范圍內(nèi)進(jìn)行傳導(dǎo)發(fā)射和輻射發(fā)射的CISPR25 5類標(biāo)準(zhǔn)EMC測(cè)試結(jié)果。
圖8：傳導(dǎo)發(fā)射（150kHz至108MHz）和輻射發(fā)射（150kHz至30MHz）（通過）
圖9顯示了MPQ4323-AEC1在30MHz和200MHz范圍內(nèi)進(jìn)行傳導(dǎo)發(fā)射和輻射發(fā)射的CISPR25 5類標(biāo)準(zhǔn)EMC測(cè)試結(jié)果。
圖9：水平輻射發(fā)射（30MHz至200MHz）和垂直輻射發(fā)射（30MHz至200MHz）（通過）
圖10顯示了MPQ4323-AEC1在200MHz和1GHz范圍內(nèi)進(jìn)行傳導(dǎo)發(fā)射和輻射發(fā)射的CISPR25 5類標(biāo)準(zhǔn)EMC測(cè)試結(jié)果。
圖10：水平輻射發(fā)射（200MHz至1GHz）和垂直輻射發(fā)射（200MHz至1GHz）（通過）
僅采用雙層PCB設(shè)計(jì)就通過汽車級(jí)EMC要求通常是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)，但MPQ4323-AEC1的所有EMC測(cè)量結(jié)果都低于標(biāo)準(zhǔn)要求。雖然4層PCB是汽車直流開關(guān)電源的常見標(biāo)準(zhǔn)解決方案，但這無疑會(huì)增加成本。本文提供的雙層PCB方案也可以通過汽車EMC要求，同時(shí)還能保持較低的溫升。
推薦PCB布局
圖10所示為推薦PCB布局。其頂層顯示出 VIN的Y形布局具有較低的阻抗和噪聲。 頂層沒有過孔和導(dǎo)體放置在IC附近。只需將從頂層到底層的過孔放置在靠近電源引腳的位置用于熱流動(dòng)。
圖11：推薦新布局（左：頂層；右：底層）
采用更佳的組件排布之后，兩層之間僅有三條走線（在底層上標(biāo)記為紅色）。最長的走線為通向FB反饋電阻的 VOUT 采樣走線。VOUT沒有噪聲（這有利于EMC），并且抗擾度較高。這些走線都被封裝在底層GND中，該層屏蔽了所有不利于EMC的跡線。
C13和R4之間的 VOUT 走線應(yīng)遠(yuǎn)離開關(guān)節(jié)點(diǎn)，以提高對(duì)開關(guān)節(jié)點(diǎn)快速變化產(chǎn)生的電場(chǎng)抗擾能力。 GND層內(nèi)的距離和屏蔽可減少耦合。
最敏感的走線是R6和反饋（FB，引腳7）之間的走線。該走線應(yīng)布于頂層，而且應(yīng)盡可能地短（幾毫米長）。IC下還應(yīng)該有大而完整的GND平面，這也意味著底層的三條走線不應(yīng)切斷IC附近的GND平面。切割GND平面會(huì)增加與其頻率相關(guān)的阻抗。保持GND平面完整是實(shí)現(xiàn)良好EMC與電路性能的基礎(chǔ)。
設(shè)計(jì)雙層汽車用PCB時(shí)應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)：
● 頂層的熱流動(dòng)比底層更好；
● 相比更遠(yuǎn)位置的過孔，靠近電源引腳的過孔具有更好的熱流動(dòng)。
可遵循以下準(zhǔn)則優(yōu)化雙層PCB：
1. 最大化電源引腳的銅覆面，這會(huì)最大限度提高進(jìn)入PCB的有效熱流動(dòng)。
2. 電源引腳的散熱器優(yōu)先級(jí)高于模擬引腳散熱器。
3. 將電感的標(biāo)記側(cè)放置在盡可能靠近開關(guān)節(jié)點(diǎn)的位置，并最大程度地減少其銅覆面。
4. 不要用導(dǎo)體引線切割冷卻功率的多邊形區(qū)域。在緊鄰電源引腳的位置，這一點(diǎn)尤為重要，因?yàn)樗鼘O大地減少從引腳流入PCB的熱量。
在考慮了每條鋪設(shè)走線及其對(duì)干擾、發(fā)射和抗擾度的影響之后，再恰當(dāng)?shù)剡x擇最佳位置、走線寬度以及過孔連接。
結(jié)語
高性價(jià)比的雙層PCB設(shè)計(jì)也可以在嚴(yán)苛的環(huán)境中有優(yōu)秀的表現(xiàn)。本文已經(jīng)驗(yàn)證，MPQ4323-AEC1是一種低成本的設(shè)計(jì)，它可以輕松通過CISPR25標(biāo)準(zhǔn)EMI測(cè)試和OEM限制。 在這種汽車用PCB設(shè)計(jì)中，如果給予足夠的銅覆面進(jìn)行熱耗散，在400kHz工作頻率、約100°C的環(huán)境溫度下，或在2.2MHz工作頻率、約80°C的環(huán)境溫度下，IC均能實(shí)現(xiàn)接近全輸出操作。MPS設(shè)計(jì)的散熱增強(qiáng)型引線框架可以實(shí)現(xiàn)高效率；是即使在緊湊且空間有限的系統(tǒng)中，也能提供熱性能出色的解決方案。
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