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电源系统设计工程师认为，对于需要支持电力消耗增加FPGA、ASIC、微处理器等大电流负荷的数据中心服务器以及LTE基站来说，特别是想要以更小电路板的面积实现更高的电力密度。为了实现更高的输出电流，多相系统的使用越来越多。系统设计工程师为了在较小的电路板面积达到更高的电流电平，开始丢弃分立电源解决方案，并选择电源模块。这是为了减少电源模块电源设计的复杂度，并提供受欢迎的选择来解决DC/DC转换器相关联的印刷电路板PCB布局的问题。
在本文中，我们讨论了使用通孔布置最大化两相电源模块的散热性能多层PCB的放置方法。这里，电源模块可以被配置为两个20A单相输出或一个40A2相输出。使用带通孔的示例PCB设计来散热电源模块以实现更高的功率密度，以便不需要散热器或风扇而操作。
图1:包括两个20A输出ISL8240M电路
那么，这个电源模块怎么能实现这样高的功率密度呢？图1的电路图中示出的电源模块仅提供8.5deg。C/W极低热阻theta；这是因为在基板上使用了铜材料。为了散热电源模块，电源模块被安装到具有直接安装特性的高效率热传导电路板。该多层电路板具有最上层（安装有电源模板）和使用通孔连接到最上层的两个嵌入铜平面。该结构具有非常高导热系数（低热阻），促进电源模块的散热。
为了理解这个现象，分析ISL8240MEVAL4Z评估板的实现（图2）。这是在4层电路板上支持双20A输出的电源模块评价板。
图2:ISL8240 MEVAL4Z电源模块评价板
该电路板有4个PCB层，标称厚度为0.062英寸（plusmn；10%），如图3所示那样层叠排列。
图3:ISL8240M电源模块中使用的4层0.062rdquo；电路板的层叠排列
这个PCB主要由FR4电路板材料和铜组成，还含有少量的焊接材料、镍和金。表1中表示主要材料的导热系数。
SAC305*是由96.5%锡、3.0%银、0.5%铜组成的最常见的无铅焊接材料。W＝瓦特，in＝英寸，C＝摄氏，m＝m，K＝开氏度。
使用表达式1确定材料热阻。
式1：计算材料的热阻
为了确定图3电路板的上铜层的热阻，取铜层的厚度（t），用导热系数和横截面的积除以。为了便于计算，使用了1平方英寸作为截面面积，此时A＝B＝1英寸。铜层的厚度为2.8密耳（0.0028英寸。这是沉积在1平方英寸电路板区域的2盎司铜的厚度。系数k是铜的W/（in溶质；deg；C）系数，其值等于9。因此，相对于该1平方英寸2.8密耳铜的热流，热阻为0.0028/9＝0.rn rn SAC305*deg。C/W。可以使用图3所示的各层尺寸和表1的对应k系数来计算各层1平方英寸电路板区域的热阻。结果如图4所示。
图4:1平方英寸电路板层的热阻
从这些数值中，发现33.4密耳t5层的热阻最高。图4的所有数字表示从最上层到最下层的4层1平方英寸电路板的合计热阻。电路板从最高位到最下位通孔添加连接后会怎么样？通孔分析已添加连接的情况。
在电路板中使用的通孔的孔形成尺寸约为12密耳（0.012英寸）。为了制造该通孔，首先钻孔直径0.014英寸的孔，然后进行镀铜，在孔内侧增加约1密耳（0.001英寸）厚度的铜壁。这个电路板也使用了ENIG电镀工艺。这在铜的外表面增加了约200微英寸镍和约5微英寸金。在计算中，忽略这些材料，仅使用铜来确定通孔的热阻。
公式2是计算圆柱形管热阻的公式。
式2：圆柱管的计算热阻
变量l是圆柱管的长度，k是导热系数，r1是大的半径，r0是小的半径。
12密耳（直径）的孔形成使用了该公式，使用了r0=6密耳（0.006英寸、r1=7密耳（0.007英寸、以及K=9（镀铜）。
图5:12密耳通孔的表面尺寸
变量l是通孔的长度（从上表面铜层到底面铜层）。电路板焊接电源模块的地方没有阻焊层，但其他领域可能需要PCB设计工程师在各通孔的上部配置阻焊层。否则通孔上的区域变空。通孔仅连接外铜层，其长度为63.4密耳（0.0634英寸。总通孔长度本身的热阻是167deg。C/W在式3中示出。
式3:1计算通孔（12密耳）热阻
图6表示连接电路板各层的各段通孔的热阻。
图6：连接各层电路板通孔段热阻
注意这些值只不过是通孔自身的热阻，而未考虑通过电路板的各段与包围该段的材料横向连接。
分析图4的各电路板层的热阻值，将它们与一个通孔的热阻值比较的话，该通孔层的热阻似乎比各层的热阻高很多，但是请注意一个通孔小于1平方英寸电路板区域的1/5000。当决定0.25英寸x0那样的相对小的电路板区域时，是.25英寸（这是前电路板区域的1/16），图4的各热阻值增加到原来的16倍。例如，t4以及33.4密耳厚FR4层的热阻由5.2875deg构成。C/W增加到83.5deg。C/W。对于该0.25英寸x0，如果在25英寸区域追加通孔，通过33.4密耳FR4层的热阻减少一半（83.5deg；C/W以及90.91 deg；C/W）。0.25英寸x0.25英寸块的面积是一个通孔的面积的约400倍。那么，在这个区域配置16个通孔的话会怎么样呢？与一个通孔相比，所有平行通孔的有效热阻减少到16倍。图7是比较各0.25英寸x0的.25英寸电路板层和16通孔层的热阻。0.25英寸x0.25英寸电路板的33.4密耳厚FR4层的热阻是83.5deg。C/W。16个平行通孔具有5.6821 deg。C/W的等效热阻。
这16个通孔只不过是0.25英寸x0。虽然25英寸电路板区域的面积小于1/25，但是能够显著减少从上面到下层的热阻连接。
图7：热阻值比较
注意，当热量流过通孔并到达另一层，特别是另一层铜层时，热量横向扩散到材料层。从一个通孔横向扩散到附近的材料的热，最终会遇到来自另一个方向通孔的热，所以增加后通孔效果会下降。ISL8240MEVAL4Z评估板的尺寸是3英寸x4英寸。电路板上面的顶层和底层有2盎司铜，2个内层分别含有2盎司铜。为了使这些铜层发挥功能，有电路板直径917个12密耳直径的通孔，这些都有助于使热从电源模块扩散到下面的铜层。
结束语
通过提供更大的功率密度和更小的功率消耗，可以提高效率，以对应于诸如电压轨道数量的增加和更高性能的微处理器和FPGA8240M电源模块等先进的电源管理解决方案。通孔电源模块PCB设计中的最佳实现是实现更高功率密度的越来越重要的因素。
