ハイパワー PCB の放熱設計ガイド

パワー エレクトロニクス機器、組み込みシステム、産業機器を使用する場合でも、新しいマザーボードを設計する場合でも、システムの温度上昇の問題に対処する必要があります。高温で継続的に動作すると、回路基板の寿命が短くなり、システムの重要な部分に障害が発生する場合もあります。設計プロセスのできるだけ早い段階で熱放散を考慮することは、回路基板とコンポーネントの耐用年数を延ばすのに役立ちます。

放熱設計は動作温度の見積りから始まります

新しい設計を始める前に、回路基板の動作温度、回路基板の動作環境、コンポーネントの消費電力を考慮する必要があります。これらの要因が連携して、回路基板とコンポーネントの動作温度が決まります。これは、冷却戦略をカスタマイズするのにも役立ちます。

回路基板を周囲温度が高い場所に置くと、より多くの熱が保持されるため、より高い温度で動作します。より多くの電力を消費するコンポーネントには、温度を設定レベルに保つためのより効率的な冷却方法が必要になります。重要な業界標準では、動作中のコンポーネントと基板の最高温度が指定されている場合があります。

熱管理戦略を設計する前に、データシートに記載されているコンポーネントの許容動作温度と、重要な業界規格で指定されている温度を必ず確認してください。ボードへの損傷を防ぐために、アクティブ冷却とパッシブ冷却を正しいボード レイアウトと組み合わせる必要があります。

アクティブ冷却とパッシブ冷却: どの回路基板が適していますか?

これは、あらゆるデザイナーが考慮すべき重要な問題です。一般に、周囲温度が動作温度よりもはるかに低い場合、受動的冷却効果が最適になります。システムと環境の間の熱勾配が大きくなり、コンポーネントやボード自体からの熱の流れが大きくなることがあります。アクティブ冷却を使用すると、周囲温度が高くても、アクティブ冷却システムに従って優れた冷却効果を提供できます。

パッシブ冷却

熱がグランドプレーンに分散されるように、アクティブコンポーネントの受動的冷却を最小限に抑えるように努める必要があります。アクティブ コンポーネントの多くにはパッケージの底部にヒート シンクが含まれており、ステッチされたビアを介して近くのグランド プレーンに熱を放散できます。これらのステッチスルーホールは、アセンブリの下の銅パッドまで伸びます。アセンブリの下に必要な銅パッドのサイズを見積もるために使用できる PCB 計算ツールがいくつかあります。

明らかに、アセンブリの下の銅パッドは、表面実装パッドまたはスルーホール ピンと干渉するため、実際のアセンブリの端を超えて延在することはできません。単一のパッドでは温度が望ましいレベルまで低下しない場合は、より多くの熱を放散するためにデバイスの上部にラジエーターを追加する必要がある場合があります。熱伝達パッドまたは熱伝導ペーストを使用して、ラジエーターへの熱流束を増やすこともできます。

蒸発冷却も別のオプションです。ただし、蒸発冷却コンポーネントは非常にかさばるため、多くのシステムには適していません。システムが漏れたり壊れたりすると、全体的に液体が漏れることになります。このとき、アクティブ冷却方式を使用すると、同等以上の冷却効果を得ることができます。

アクティブ冷却

FPGA、CPU、またはスイッチング速度の高いその他のアクティブ コンポーネントなどのアクティブ コンポーネントの温度をさらに下げる必要がある場合、パッシブ冷却では問題を解決できない場合は、アクティブ冷却にファンを使用する必要がある場合があります。ファンは常にフルスピードで動作するとは限らず、電源が入らない場合もあります。高温のコンポーネントやより多くの熱を発生するコンポーネントでは、ファンをより高速に動作させる必要があります。

PWM 信号はスイッチングによりノイズを発生するため、ファンの騒音が大きくなります。開発ボードには、ファン速度を制御するための PWM 信号を生成する回路と、関連コンポーネントの温度を測定するためのセンサーが必要です。高次高調波スイッチも各 AC 駆動スイッチで生成されます。ファンを使用する場合、近くのケーブルコンポーネントには適切なノイズ抑制/ノイズ耐性が必要です。

冷却剤や冷媒などのアクティブ冷却システムを使用して、大量の冷却を行うこともできます。これは、冷却剤または冷媒をシステムに流すためにポンプまたはコンプレッサーが必要なため、一般的な解決策ではありません。たとえば、高性能ゲーム コンピューターの GPU を冷却するために水冷システムが使用されます。

いくつかの簡単な熱設計ガイドライン

信号経路の下にグランドプレーンを使用すると、信号の完全性とノイズ抑制が向上し、ラジエーターとしても機能します。サーマルパッドを備えたアセンブリでは、ステッチされたビアがグランドプレーンまで延長され、表面層からの熱の放散が容易になります。そして、表面のトレースで発生した熱はグランドプレーンに容易に放散されます。

大電流が流れる配線、特に DC 回路では、回路基板上の適切な量の熱を放散するために、より重い銅が必要になります。これには、高速または高周波の機器で通常使用されるよりも広い配線が必要になる場合があります。ジオメトリは AC 信号の配線インピーダンスに影響します。つまり、インピーダンスが信号規格またはソース / 負荷コンポーネントで定義された値と一致するようにスタックを変更する必要がある場合があります。

高い値と低い値の間で温度サイクルを繰り返すと、スルーホールや配線に応力が蓄積する可能性があるため、回路基板の熱サイクルに注意してください。これにより、アスペクト比の高いスルーホールでチューブが破損する可能性があります。サイクル時間が長いと、表層のトレース剥離が発生し、回路基板が損傷する可能性があります。