【導讀】汽車(chē)電子供應商在爭相提供自動(dòng)化、互聯(lián)化和電氣化解決方案的競賽中面臨不斷增長(cháng)的成本壓力。而采用雙層PCB設計是降低成本的一種有效方法。但雙層PCB需要十分謹慎的設計，因為其散熱特性不佳，有可能導致性能的降級。

在本文中，汽車(chē)專(zhuān)家將以MPS的MPQ4323-AEC1 為例給出實(shí)用建議，說(shuō)明如何微調雙層PCB的電路和布局設計，以實(shí)現最佳散熱特性，同時(shí)符合CISPR25 5類(lèi)標準。

采用雙層PCB布局

PCB的層數取決于PCB空間、組件數量以及計劃投入的生產(chǎn)成本。硬件設計師通常只有兩層電路板可用。在汽車(chē)用雙層PCB設計中，需要對DC開(kāi)關(guān)電源的組件進(jìn)行小心排布，才能滿(mǎn)足EMC以及散熱要求。

設計方法

本文測試了9種雙層PCB布局。每種布局都具有不同于其他布局的組件位置和少許更改，同時(shí)具有不同的多邊形排布和過(guò)孔位置（見(jiàn)圖1）。我們測試這九種不同的布局，以期找到能夠改進(jìn)EMC和散熱性能的最佳方案。下文將重點(diǎn)介紹這些布局之間的散熱性能和EMC性能差異。

圖1: 9種不同布局的PCB面板

雙層布局設計建議

通過(guò)遵循一定的設計原則，可以實(shí)現散熱與EMC同時(shí)優(yōu)化的解決方案。以MPS的MPQ4323-AEC1為例（見(jiàn)圖2），該直流開(kāi)關(guān)電源采用散熱性能優(yōu)化的雙層布局，并符合汽車(chē)級EMC CISPR25 Class 5的要求。 

圖2：符合汽車(chē)級EMC標準且優(yōu)化了散熱性能的MPQ4323原理圖

圖3顯示了基于以上示意圖的PCB組件排布。 

圖3: MPQ4323雙層PCB的組件排布

上述推薦布局具有實(shí)心頂部、底部GND平面和一個(gè)較大的 V_IN 多邊形。它還利用了PGND 過(guò)孔來(lái)連接頂層和底層。圖4顯示了該方案的散熱圖。Y形的 V_IN 散熱片在頂層吸取熱量。PGND 過(guò)孔則連接頂層和底層，充當次級散熱器。 

圖4: MPQ4323雙層PCB散熱圖

電感（L3）也是有效的散熱器（見(jiàn)圖4）。在本示例中，引腳12上的開(kāi)關(guān)節點(diǎn)必須具有較小的表面積，以免其因快速變化的電壓（高du/dt）而成為發(fā)射天線(xiàn)。電感應盡可能地靠近引腳12，讓熱量經(jīng)最短距離盡快流入電感。而且，要實(shí)現最佳EMC，還需將電感繞組的標記側與引腳12對齊。這樣，電感的外部銅繞組能夠屏蔽電感線(xiàn)圈內具有高du/dt的噪聲區域。圖5顯示了器件封裝內的熱分布。 

圖5: MPQ4323封裝內的熱分布

能夠將熱量傳遞到PCB的最有效引腳包括VIN、PGND和SW。這些引腳通過(guò)PCB內部引線(xiàn)框架直接連接到上、下管MOSFET（分別為HS-FET和LS-FET）處。引線(xiàn)框架直接焊連在芯片內核下方，可以實(shí)現最有效的熱流動(dòng)。

靠近MOSFET的芯片部位熱量更高，因為那里正是內部產(chǎn)生熱量的地方。如圖4所示，封裝上的白色區域（最高67.8°C）溫度要高于洋紅色區域（約62°C）。銅的導熱率為388W/mk，而硅的導熱率為180W/mk。 這意味著(zhù)熱量在銅中的分布更均勻。而且，我們測得的溫度是封裝表面的溫度，芯片內部溫度還要高幾度。

MOSFET在引線(xiàn)框架上的內部長(cháng)度較短；相比而言模擬引腳（BOOT、VCC、AGND、FB、PG和EN）沒(méi)有如此高的導熱能力。因此，在設計布局時(shí)，電源引腳（VIN、PGND和SW）應具有較大的銅覆面以冷卻器件，而靠近電源引腳的頂層就是最有效的散熱器。

當頂層GND和底層GND之間的過(guò)孔越靠近電源引腳時(shí)，熱流動(dòng)越有效。因此我們建議將過(guò)孔安排在較熱的位置。但需確保過(guò)孔不要太密集。太多過(guò)孔反而會(huì )因為銅覆面太少而阻礙頂層的熱流動(dòng)。 頂層具有直接的銅連接用于熱流動(dòng)非常重要。與此同時(shí)，由于與過(guò)孔之間的熱串聯(lián)，底層散熱較差。因此，為實(shí)現良好的熱傳遞，建議將直流開(kāi)關(guān)電源放在頂層。 圖6顯示了一種DC/DC變換器周?chē)鶪ND平面有切口的傳統布局。與此同時(shí)，VIN以Y形連接到底層。 

圖6: 采用傳統布局的MPQ4323在 PCB上的熱流動(dòng)更少

比較兩種布局之間最大 T_JUNCTION （白色區域）和 TAMBIENT 之間的溫度差（ΔT）。在散熱優(yōu)化的建議布局（如圖4所示）中，ΔT為40.7°C；而在傳統方案中，ΔT為46.8°C。

我們推薦的布局比傳統布局溫度低6°C，而且并沒(méi)有使用額外的元件或更大的板空間。因此，通過(guò)巧妙布局全部5個(gè)電源引腳、設計更大的 V_IN 區域以及頂層GND和底層 GND之間充足的PGND過(guò)孔，就可以實(shí)現散熱性能的提升。

MPQ4323-AEC1與同類(lèi)解決方案的比較

圖7將同類(lèi)解決方案（方案2）與MPQ4323-AEC1進(jìn)行了比較。注意，這兩個(gè)器件具有相同的IC封裝尺寸，并在具有相同外部組件的布局上運行。 

圖7: 方案2的PCB散熱效果

表1列出了兩種解決方案的特性。

表1: MPQ4323與同類(lèi)解決方案的比較

說(shuō)明：

1) 效率測量包括輸入濾波器、保護二極管和功率電感損耗。

測量結果表明，MPQ4323-AEC1憑借MPS先進(jìn)的封裝技術(shù)具有更低的溫度，該技術(shù)可以將更多的熱量傳遞給PCB板。

EMC測量結果

圖8顯示了MPQ4323-AEC1在150kHz至30MHz范圍內進(jìn)行傳導發(fā)射和輻射發(fā)射的CISPR25 5類(lèi)標準EMC測試結果。 

圖8：傳導發(fā)射（150kHz至108MHz）和輻射發(fā)射（150kHz至30MHz）（通過(guò)）

圖9顯示了MPQ4323-AEC1在30MHz和200MHz范圍內進(jìn)行傳導發(fā)射和輻射發(fā)射的CISPR25 5類(lèi)標準EMC測試結果。 

圖9：水平輻射發(fā)射（30MHz至200MHz）和垂直輻射發(fā)射（30MHz至200MHz）（通過(guò)）

圖10顯示了MPQ4323-AEC1在200MHz和1GHz范圍內進(jìn)行傳導發(fā)射和輻射發(fā)射的CISPR25 5類(lèi)標準EMC測試結果。 

圖10：水平輻射發(fā)射（200MHz至1GHz）和垂直輻射發(fā)射（200MHz至1GHz）（通過(guò)）

僅采用雙層PCB設計就通過(guò)汽車(chē)級EMC要求通常是一項艱巨的任務(wù)，但MPQ4323-AEC1的所有EMC測量結果都低于標準要求。雖然4層PCB是汽車(chē)直流開(kāi)關(guān)電源的常見(jiàn)標準解決方案，但這無(wú)疑會(huì )增加成本。本文提供的雙層PCB方案也可以通過(guò)汽車(chē)EMC要求，同時(shí)還能保持較低的溫升。

推薦PCB布局

圖10所示為推薦PCB布局。其頂層顯示出 V_IN的Y形布局具有較低的阻抗和噪聲。 頂層沒(méi)有過(guò)孔和導體放置在IC附近。只需將從頂層到底層的過(guò)孔放置在靠近電源引腳的位置用于熱流動(dòng)。 

圖11：推薦新布局（左：頂層；右：底層）

采用更佳的組件排布之后，兩層之間僅有三條走線(xiàn)（在底層上標記為紅色）。最長(cháng)的走線(xiàn)為通向FB反饋電阻的 V_OUT 采樣走線(xiàn)。V_OUT沒(méi)有噪聲（這有利于EMC），并且抗擾度較高。這些走線(xiàn)都被封裝在底層GND中，該層屏蔽了所有不利于EMC的跡線(xiàn)。

C13和R4之間的 V_OUT 走線(xiàn)應遠離開(kāi)關(guān)節點(diǎn)，以提高對開(kāi)關(guān)節點(diǎn)快速變化產(chǎn)生的電場(chǎng)抗擾能力。 GND層內的距離和屏蔽可減少耦合。

最敏感的走線(xiàn)是R6和反饋（FB，引腳7）之間的走線(xiàn)。該走線(xiàn)應布于頂層，而且應盡可能地短（幾毫米長(cháng)）。IC下還應該有大而完整的GND平面，這也意味著(zhù)底層的三條走線(xiàn)不應切斷IC附近的GND平面。切割GND平面會(huì )增加與其頻率相關(guān)的阻抗。保持GND平面完整是實(shí)現良好EMC與電路性能的基礎。

設計雙層汽車(chē)用PCB時(shí)應考慮以下幾點(diǎn)：

●   頂層的熱流動(dòng)比底層更好；

●   相比更遠位置的過(guò)孔，靠近電源引腳的過(guò)孔具有更好的熱流動(dòng)。

可遵循以下準則優(yōu)化雙層PCB：

1. 最大化電源引腳的銅覆面，這會(huì )最大限度提高進(jìn)入PCB的有效熱流動(dòng)。

2. 電源引腳的散熱器優(yōu)先級高于模擬引腳散熱器。

3. 將電感的標記側放置在盡可能靠近開(kāi)關(guān)節點(diǎn)的位置，并最大程度地減少其銅覆面。

4. 不要用導體引線(xiàn)切割冷卻功率的多邊形區域。在緊鄰電源引腳的位置，這一點(diǎn)尤為重要，因為它將極大地減少從引腳流入PCB的熱量。

在考慮了每條鋪設走線(xiàn)及其對干擾、發(fā)射和抗擾度的影響之后，再恰當地選擇最佳位置、走線(xiàn)寬度以及過(guò)孔連接。

結語(yǔ)

高性?xún)r(jià)比的雙層PCB設計也可以在嚴苛的環(huán)境中有優(yōu)秀的表現。本文已經(jīng)驗證，MPQ4323-AEC1是一種低成本的設計，它可以輕松通過(guò)CISPR25標準EMI測試和OEM限制。 在這種汽車(chē)用PCB設計中，如果給予足夠的銅覆面進(jìn)行熱耗散，在400kHz工作頻率、約100°C的環(huán)境溫度下，或在2.2MHz工作頻率、約80°C的環(huán)境溫度下，IC均能實(shí)現接近全輸出操作。MPS設計的散熱增強型引線(xiàn)框架可以實(shí)現高效率；是即使在緊湊且空間有限的系統中，也能提供熱性能出色的解決方案。

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