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PCB热设计对元器件布局的要求

已有 108 次阅读2019-7-11 18:08 | 关键词: 89782, PCB热设计

 元器件在PCB上的排列方式应遵循一定的规则。

 

(1)元器件应安装在最佳自然散热的位置上,使传热通路尽可能的短。同一块PCB上的元器件应尽可能按其发热量大小及散热程度分区排列,发热量小或耐热性差的元器件(如小信号晶体管、小规模集成电路、电解电容等)放在冷却气流的最上游(入口处),发热量大或耐热性好的元器件(如功率晶体管、大规模集成电路等)放在冷却气流的最下游。元器件安装方向的横向面与风向平行,以利于热对流。

 

(2)发热元器件应尽可能地置于PCB的上方,条件允许时应处于气流通道上。发热量大的集成电路芯片,一般尽量放置在主PCB上,目的是为了避免底壳过热;如果放置在主PCB下,那么需要在芯片与底壳之间保留一定的空间,这样可以充分利用气体流动散热。

 

(3)对于采用自由对流空气冷却的开关电源,元器件热流通道要短、横截面积要大,通道中无绝热或隔热物。对于采用强制空气冷却的开关电源,最好是将功率器件(或其他元器件)按横长方式排列,以使传热横截面尽可能的大。

 

(4)PCB的热容量应均匀分布,不要把大功耗元器件集中布放。发热量大的元器件应分散安装,若无法避免,则要把矮的元器件放在气流的上游,并保证足够的冷却风量流经热耗集中区。冷却气流流速不大时,元器件按叉排方式排列,以提高气流紊流程度,增加散热效果。

 

(5)元器件在PCB上竖立排放、发热元器件不安装在机壳上时,元器件与机壳之间的距离应大于3540cm。在水平方向上,大功率器件尽量靠近PCB边缘布置,以便缩短传热路径;在垂直方向上,大功率器件尽量靠近PCB上方布置,以便减少它们工作时对其他元器件的影响。

 

(6)在元器件布局时应考虑到对周围热辐射的影响,对热敏感的元器件(含半导体器件)应远离热源或将其隔离。对于温度高于30℃的热源,一般要求在自然冷却条件下,元器件离热源距离不小于4mm。对温度比较敏感的元器件最好安置在温度最低的区域(如底部),不要将它放在发热元器件的正上方,多个元器件最好是在水平面上交错布局

 

(7)开关电源PCB的散热主要依靠空气流动,所以在设计时要研究空气流动路径,合理配置元器件或PCB。空气流动时总是趋向于阻力小的地方,所以在PCB上配置元器件时,要避免在某个区域留有较大的空域。在配置多块PCB时也应注意这一问题。

 

(8)在有通风口的壳体内部,元器件布局应服从空气流动方向,即进风口→放大电路→逻辑电路→敏感电路→击穿电路→小功率电阻电路→有发热元器件电路→出风口,构成良好的散热通道。发热元器件要在机壳上方,热敏元器件在机壳下方,应利用金属壳体作为散热装置。可以考虑把发热高、辐射大的元器件专门设计安装在一块PCB上。

 

(9)设计上保证元器件工作热环境的稳定性,以减轻热循环与冲击而引起的温度应力变化。温度变化率不超过1/min,温度变化范围不超过20℃,此指标要求可根据所设计开关电源的特性进行调整

 

(10)元器件的冷却剂及冷却方法应与所选冷却系统及元器件相适应,不能因此产生化学反应或电解腐蚀。

 

(11)冷却系统的电功率一般为所需冷却热功率的3%~6%。冷却时,气流中含有水分、温差过大,会产生凝露或附着。水分及其他污染物等会导致电气短路、电气间隙减小或发生腐蚀,对此应采取的措施如下。

 

①冷却前后温差不要过大。

②温差过大会产生凝露的部位,水分不应造成堵塞或积水,如果有积水,积水部位的材料不会发生腐蚀。

③对裸露的导电金属加热缩套管或其他遮挡绝缘措施。

 

(12)电容器(液态介质)应远离热源。在进行PCB的布局过程中,各个元器件之间、集成电路芯片之间或元器件与芯片之间应该尽可能地保留空间,目的是利于通风和散热。

 

(13)在规则容许之下,散热部件与需要进行散热的元器件之间的接触压力应尽可能大,同时确认两个接触面之间完全接触。

 

(14)对于采用热管的散热方案,应尽量加大和热管接触的面积,以利于发热元器件和集成电路芯片等的热传导。空间的紊流一般会对电路产生有重要影响的高频噪声,应避免其产生。

 

(15)PCB中发热元器件量较少时(少于3个),可在发热元器件上加散热器或导热管,当温度还不能降下来时,可采用带风扇的散热器,以增强散热效果。当发热元器件量较多时(多于3个),可采用大的散热罩(板),它是按PCB上发热元器件的位置和高低而定制的专用散热器,或是在一个大的平板散热器上抠出不同的元器件高低位置,将散热罩整体扣在元器件面上,与每个元器件接触而散热。但由于元器件装焊时高低一致性差,散热效果并不好,通常在元器件面上加柔软的热相变导热垫来改善散热效果。

 

大量实践经验表明,采用合理的元器件排列方式,可以有效地降低PCB的温升,从而使元器件及PCB的故障率明显下降。

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