CFD建模方法在PCB热设计中的应用​

CFD建模方法在PCB热设计中的应用

随着多相稳压器应用所需的功率等级越来越高，而可用电路板面积不断减少，PCB布线设计已成为稳压器热设计的重要组成部分。 PCB板可以帮助散发稳压器产生的大部分热量，而且在很多情况下它是唯一的散热方式。 精心设计的布线可以通过增强 MOSFET 和 IC 周围的有效导热性来提高电路板的热性能。

另一方面，为了降低成本，需要减少不必要的布线。 因此，为了满足上述目标，必须在设计阶段评估和调整稳压器周围PCB的热导率变化及其对稳压器热性能的影响。

常见的热分析方法是根据铜层的数量、厚度和覆盖百分比以及电路板的总厚度，计算整个电路板的有效平行和法向导热系数的平均值，然后计算导热系数 使用平均平行热导率和法向热导率来计算电路板的热导率。 然而，当必须考虑 PCB 导热系数的局部变化时，该方法并不适用。

Icepak是一款热建模软件工具，可用于研究电路板导热系数的局部变化。 除了计算流体动力学（CFD）功能外，该软件工具还考虑了电路板的布线和过孔，然后计算整个电路板上的热导率分布。 这个特性使得Icepak非常适合接下来的研究工作。

原始设计和模型验证

Icepak模型是根据1U服务器应用程序中的ECAD文件创建的。 将原始电路板的布线和过孔信息导入到模型中。

为了检查热导率分布，可以将45℃恒温边界条件分配给PCB的背面，而将均匀热流边界条件分配给顶部。

温度高表示导热系数低，温度低表示导热系数高。 从图中可以看出，没有布线的区域温度较高，布线较多的区域温度较低。 在大过孔区域，温度接近45℃。

这说明热导率分布与原设计中的走线分布一致。 为了获得小孔的局部效果，应该使用较小的背景网格尺寸。

本例中，背景网格尺寸为1×1mm。每个网格包含一个电路板单元，该电路板单元在X、Y、Z坐标方向上具有自己的导热系数。 一般来说，它们具有不同的值。

在此模型中，调节器组件和接线的功率损耗。 这些功率损耗值已在之前的测试中得到验证。

1U应用模型，电路板上方有气流。 环境温度25℃，内部空气流量400LFM。 图2b显示了电路板的上表面和元件的温度。 温度较高的元件是稳压器中的MOSFET。

将各关键部件组的最高温度仿真结果与试验结果进行比较，发现具有良好的一致性。

减少电路板布线

原来的PCB设计有比较大的布线覆盖范围，目的是增加电路板内的热量散发，从而降低稳压器的温度。 但在某些情况下，为了降低成本，应减少布线覆盖范围，不宜使用散热器。 因此，将修改布线，然后使用验证模型来预测稳压器温度。 PCB组装和PCB加工制造商介绍CFD建模方法在PCB热设计中的应用。