PCB熱設計におけるCFDモデリング手法の適用

多相電圧レギュレータのアプリケーションで必要とされる電力レベルがますます高くなり、使用可能な回路基板面積が減少するにつれて、PCB 配線設計は電圧レギュレータの熱設計の重要な部分になっています。 PCB ボードは、電圧レギュレータによって生成された熱のほとんどを放散するのに役立ちます。多くの場合、PCB ボードが熱を放散する唯一の方法です。適切に設計された配線は、MOSFET と IC の周囲の有効な熱伝導率を高めることにより、回路基板の熱性能を向上させることができます。

一方で、コスト削減のためには不要な配線を削減する必要があります。したがって、上記の目的を達成するためには、電圧レギュレータ周辺の PCB の熱伝導率の変化と電圧レギュレータの熱性能への影響を評価し、設計段階で調整する必要があります。

一般的な熱分析方法は、銅層の数、厚さ、被覆率、および回路基板の総厚さに従って、回路基板全体の実効平行熱伝導率と垂直熱伝導率の平均を計算し、熱伝導率を計算することです。平均平行熱伝導率と垂直熱伝導率を使用した回路基板の熱伝導率。ただし、この方法は、PCB の熱伝導率の局所的な変動を考慮する必要がある場合には適していません。

PCB board

Icepak は熱モデリング用のソフトウェアツールで、回路基板の熱伝導率の局所的な変化を調べるために使用できます。数値流体力学 (CFD) 機能に加えて、ソフトウェアツールは回路基板の配線とビアも考慮して、回路基板全体の熱伝導率分布を計算します。この機能により、Icepak は次の研究作業に非常に適しています。

元の設計とモデルの検証

Icepak モデルは、1U サーバーアプリケーションの ECAD ファイルに基づいて作成されます。元の回路基板のルーティングおよびビア情報がモデルにインポートされます。

熱伝導率分布を確認するために、PCB の背面に 45 ℃ の一定温度境界条件を割り当て、上部に均一な熱流境界条件を割り当てることができます。

高温は熱伝導率が低く、低温は熱伝導率が高いことを表します。図から、配線のない部分は温度が高く、配線の多い部分は温度が低いことがわかります。大きなビアのある領域では、温度は 45 ℃ 近くになります。

これは、熱伝導率分布が元の設計の配線分布と一致していることを示しています。小さな穴の局所的な効果を得るには、小さい背景グリッドサイズを使用する必要があります。

この例では、背景のグリッドサイズは 1 × 1mm です。各グリッドには、X、Y、Z 座標方向に独自の熱伝導率を持つ回路基板ユニットが含まれています。一般に、それらは異なる値を持っています。

このモデルでは、レギュレータコンポーネントと配線の電力損失。これらの電力損失値は、以前のテストで検証されました。

回路基板上に空気の流れがある1Uアプリケーションモデル。周囲温度は 25 ℃、内部空気流量は 400LFM です。図 2b は、回路基板の上面とコンポーネントの温度を示しています。温度が高い要素は、電圧レギュレータの MOSFET です。

各主要コンポーネントグループの最高温度のシミュレーション結果とテスト結果を比較すると、整合性が良好であることがわかります。

回路基板のルーティングを削減

オリジナルの PCB 設計では、回路基板の熱放出を増加させ、それによって電圧レギュレータの温度を下げることを意図した、比較的広い配線範囲があります。ただし、場合によっては、コストを削減するために、ケーブルのカバー範囲を縮小し、ラジエーターを使用しないようにする必要があります。したがって、ルーティングが変更され、検証モデルを使用して電圧レギュレーターの温度が予測されます。 PCB アセンブリおよび PCB 処理メーカーは、PCB 熱設計における CFD モデリング手法の適用を導入しています。