Введение
В течение нескольких лет безвыводной корпус типа QFN с теплоотводящим основанием являлся стандартом для сильноточных ИС. Рост технологического уровня производства позволил сделать ИС понижающих преобразователей напряжения еще более компактными и эффективными. Поэтому теперь необходимо разрабатывать улучшенные конструкции печатных плат (ПП), чтобы обеспечить эффективный отвод тепла от новых ИС и, как следствие, низкую температуру их корпуса.
Особенно важной задача эффективного отвода тепла от ИС через ПП стала для конструкций с ограничениями по температуре. Печатная плата фактически является для ИС и носителем, и теплоотводом, поэтому следует проанализировать влияние ПП на тепловой режим ИС. Для обеспечения надежной работы ИС в широком диапазоне температур требуется правильная компоновка ПП, которую можно реализовать различными способами, в зависимости от типа корпуса ИС и его цоколевки.
В этой заметке по применению рассматриваются три различных подхода к проектированию ПП и компромисс в стоимости конструкции для корпуса мощной ИС. Далее приводится краткое сравнение результатов моделирования и реальных измерений. Для исследования взят новый понижающий преобразователь фирмы TI TPS62866 с выходным током до 6 А в корпусе WCSP/DSBGA с размерами 1.05 × 1.78 × 0.5 мм. Размеры корпуса равны размерам кристалла ИС, что экономит площадь ПП, но затрудняет отвод от него тепла.
Тепловые переходы в сильноточных ПП
В конструкции силовых ПП упор делается, как правило, на облегчение теплового режима за счет увеличения площади медных слоев или добавления слоев «земли» в многослойных платах. Утолщенные слои меди и дорожки увеличенной ширины, обладающие малыми значениями омического сопротивления и паразитной индуктивности, заодно помогают лучше рассеивать тепло при сохранении тех же габаритов платы.
Однако одним из наиболее эффективных способов отвода тепла через ПП является использование переходов. Тепловые переходы обычно используются в ПП в качестве средства отвода тепла от компонентов поверхностного монтажа в толщу платы, к ее внутренним слоям. Переходы представляют собой просто просверленные отверстия, выполненные для доступа вглубь платы и соединения нескольких ее слоев.
На Рисунке 1 показаны различные виды переходов, обычно используемых в производстве ПП, различающихся также по сферам применения и стоимости.
 |
||
| Рисунок 1. | Виды переходов в ПП. | |
Сквозные переходы являются наиболее распространенными и дешевыми в изготовлении. Существуют также микропереходы, называемые скрытыми, которые могут соединять внутренние слои ПП, не подвергаясь воздействию наружного воздуха, и глухие переходы, которые могут соединять внутренние слои и выходят на одну из сторон платы. Как скрытые, так и глухие переходы обеспечивают лишь частичное соединение между слоями платы и усложняют конструкцию, что удорожает производство ПП.
Сравнение компоновок ПП для TPS62866
Были разработаны и изучены при помощи теплового анализа три различные версии ПП. В версии E1 (Рисунок 2) под ИС и рядом с выходной цепью VOUT силового дросселя расположены сквозные микропереходы или тепловые переходы. В коммутационной цепи SW микросхемы и дросселя предусмотрены глухие переходы. Очевидно, что это решение обладает оптимальными характеристиками.
 |
||
| Рисунок 2. | Версия компоновки E1. | |
Версия E2 (Рисунок 3) является экономичным решением, по этой причине ни под ИС, ни под силовым дросселем переходы не предусмотрены. Но микропереходы вблизи цепи VOUT дросселя остаются неизменными.
 |
||
| Рисунок 3. | Версия компоновки E2. | |
В версии E3 (Рисунок 4) компромисс между стоимостью и характеристиками достигается за счет сквозных микропереходов под ИС даже в цепи SW. Глухие переходы под ИС или силовым дросселем не используются. Микропереходы вблизи цепи VOUT дросселя остаются неизменными.
 |
||
| Рисунок 4. | Версия компоновки E3. | |
Сравнение результатов моделирования и измерений
Инструменты моделирования позволяют заказчику оценить свои проекты перед изготовлением плат и определить наилучший вариант проекта. Поэтому три версии ПП были смоделированы с использованием электротермического симулятора компании Keysight. Условия моделирования были таковы: напряжение питания UВХ = 3.3 В, выходное напряжение UВЫХ = 0.9 В при нагрузке 6 А и температура окружающей среды 25 °C. Затем с помощью тепловизора FLIR T335 были получены тепловые снимки ПП для тех же рабочих условий. Результаты приведены на Рисунках 5 – 7.
В версии E1 (Рисунок 5), результаты моделирования и измерений для максимальной температуры ИС составили 97 °C и 94.7 °C, соответственно.
|
||||
| Рисунок 5. | Моделирование и измерение для E1. | |||
В версии E2 (Рисунок 6), моделирование и измерения дали значения максимальной температуры ИС 107 °C и 117 °C, соответственно.
|
||||
| Рисунок 6. | Моделирование и измерение для E2. | |||
В версии E3 (Рисунок 7), моделирование и измерения дали значения максимальной температуры ИС 97.7 °C и 96 °C, соответственно.
|
||||
| Рисунок 7. | Моделирование и измерение для E3. | |||
Отсюда становится ясно, что результаты моделирования не совсем совпадают с результатами измерений, и степень расхождения зависит исключительно от допущений, положенных в основу моделей, и погрешности реальных измерений. Но как бы то ни было, с точки зрения как моделирования, так и измерений, самая горячая точка ПП находится на ИС. Видно, что самая низкая температура получается в версии E1, а самая высокая – в версии E2. Температура ИС в версиях E1 и E3 почти одинакова.
Помимо снижения теплового сопротивления между корпусом ИС и платой/окружающей средой, оптимизация компоновки с точки зрения отвода тепла одновременно может повысить КПД. Применение тепловых переходов позволяет улучшить качество соединения слоя ПП, связанного с силовыми ключами преобразователя, с внутренними слоями, обеспечивая низкое сопротивление этой цепи, и заодно увеличивая суммарную площадь меди. Из-за быстрого переключения между напряжением питания и «землей» узел силовых ключей становится критически важным участком схемы.
 |
||
| Рисунок 8. | Кривые КПД для трех компоновок. | |
На Рисунке 8 показаны соответствующие кривые, а в Таблице 1 приведены наибольшие значения КПД для различных вариантов компоновки ПП.
| Таблица 1. | Сравнение трех вариантов компоновки ПП | ||||||||||||||||
|
|||||||||||||||||
Из сравнения этих кривых видно, что наибольшие значения КПД могут быть получены за счет увеличения площади меди в узле силовых ключей. Поэтому на этом участке схемы желательно использовать соединения большой площади.
Выбор компоновки ПП для наилучшего отвода тепла
В версии E1, где используются как глухие, так и сквозные тепловые переходы, получается наилучший теплообмен между ИС и печатной платой. Температура корпуса ИС в версии E1 значительно ниже по сравнению с другими версиями. Следовательно, эту компоновку ПП можно рассматривать как решение, оптимальное по тепловому режиму. С другой стороны, глухие переходные отверстия сложны в изготовлении, что приводит к удорожанию печатной платы. В версии E2, тепловые переходы не используются, тепло от корпуса ИС отводится неэффективно, и температура ИС очень высокая. Но общая стоимость здесь намного ниже, чем у других версий компоновки, в связи с чем это решение можно считать оптимальным по стоимости.
В версии E3, температура ИС ниже, чем в версии E2, и почти такая же, как в версии E1. Это означает, что здесь обеспечивается эффективное рассеяние тепла, и тот же тепловой режим достигается с помощью сквозных микропереходов. Глухие переходы могут быть полезны, но в данном случае в них нет необходимости. Избегая применения ненужных глухих переходов, мы можем сэкономить на производстве и в то же время получить очень качественную конструкцию. Таким образом, эта компоновка оптимальна как по тепловому режиму, так и по стоимости.
Добавление тепловых переходов помогает снизить общую температуру ИС и повысить КПД. Также очевидно, что после добавления оптимального количества переходов использование большего их числа не обязательно приведет к дополнительному пропорциональному улучшению характеристик.
 |
||
| Рисунок 9. | Компоновка платы TPS62869EVM. | |
Однако, использование переходов непосредственно в узле силовых ключей может привести к распространению помех переключения на остальные цепи ПП, которые могут нарушать нормальную работу в устройствах, чувствительных к помехам. Для таких критичных к помехам приложений примером может служить компоновка платы TPS62869EVM (Рисунок 9), которая показывает, как добиться хорошего теплового режима без использования микро- и тепловых переходов в узле силовых ключей.
Итоги
Правильная компоновка ПП необходима для оптимального теплового режима мощного понижающего преобразователя. Тепловые переходы играют важную роль в отводе тепла сквозь печатную плату, и должны располагаться непосредственно под нагревающимися элементами/компонентами или очень близко к ним. Кроме того, эквивалентное тепловое сопротивление множества параллельных переходов намного меньше, чем у одиночного перехода. Следовательно, несколько переходов можно располагать близко друг к другу для лучшего отвода тепла.
Если плотность компонентов на ПП не слишком высока, для рассеивания тепла будет достаточно сквозных микропереходов. Глухие переходы обычно используются в тех платах, где плотность компонентов очень высока, и где во внутренних слоях ПП присутствует множество дорожек, сквозь которые невозможно провести переход. Поэтому, используя простые сквозные микропереходы, можно получить конструкцию, оптимальную по тепловому режиму, КПД и стоимости.
