使用 PCB散熱器的高效散熱可防止 PCB 掉落

2021-09-15

使用 PCB散熱器的高效散熱可防止 PCB 掉落

在電子產(chǎn)品中，由于某些組件的功耗，您的 PCB 可能會(huì )變得很熱。每當組件達到超出組件安全工作范圍的極端溫度時(shí)，其使用壽命將大大縮短或組件可能會(huì )立即失效。發(fā)熱元件有缺陷意味著(zhù)整個(gè) PCBA 將需要報廢。在處理電路板中的熱量時(shí)需要考慮很多事情，首先要在原理圖捕獲期間確定設計中的功耗。如果您碰巧在高功率設備的安全范圍內運行，您可能需要在某些組件上安裝 PCB散熱器。最終，這可以節省您的組件、產(chǎn)品甚至操作員。

是什么導致PCB發(fā)熱并需要SMD散熱器？

由于電阻損耗，電能被轉換為熱能。所有元件，無(wú)論是簡(jiǎn)單的無(wú)源元件還是復雜的邏輯電路，都會(huì )有一些電阻損耗。這里要考慮的是某些組件是否會(huì )達到不安全的工作溫度，以及這種熱量是否會(huì )影響附近的任何組件。此外，您可能想了解一些重要信息，例如這些組件上使用的任何焊點(diǎn)的可靠性、附近過(guò)孔的可靠性以及組件本身的可靠性。

首先，您需要通過(guò)查看功耗和數據表來(lái)確定哪些組件適合應用散熱器。因高功耗而面臨故障風(fēng)險的一些主要組件包括：

電阻器或電阻器陣列，特別是用于電力輸送時(shí)

用于功率傳輸或功率調節的 MOSFET

線(xiàn)性穩壓器，因為它們旨在通過(guò)散熱來(lái)調節電壓

提供大量計算能力的大型數字 IC

機電元件（電機、開(kāi)關(guān)等）

其中一些組件可能具有內置于組件中的一些散熱措施。例如，TO 封裝或 SOT 封裝中的 MOSFET 和線(xiàn)性穩壓器通常會(huì )有一個(gè)貼片散熱器（見(jiàn)下文）。該散熱器可以直接安裝并焊接到 PCB布局中的接地焊盤(pán)，從而為遠離組件的散熱提供直接路徑。

功率晶體管可能具有散熱片或散熱墊 ，為散熱提供路徑。

根據這些組件中處理的功率，您可能需要一個(gè)額外的 PCB散熱器，它可以直接安裝到組件上。連接這些組件的最佳方式是什么，您何時(shí)真正需要它們？

確定散熱需求

一旦確定了產(chǎn)生大量熱量的主要組件，您就可以使用數據表中的信息來(lái)估計溫升。要尋找的重要規格是熱阻。組件的熱阻定義了高于環(huán)境溫度的預期溫升。這與熱導率不同，但如果要計算熱阻，則需要知道熱導率。幸運的是，您不需要這樣做，您只需使用組件數據表中的熱阻數據即可。

可以使用數據表中提供的熱阻值和您在設計中期望的功耗來(lái)計算預期的溫升。例如，流行的LM7805 穩壓器有多種封裝選項，每一種都有不同的熱阻值。功率元件的結點(diǎn)與環(huán)境之間的典型熱阻值為 20 至 30 °C/W。但是，對于采用 TO-220 封裝的 LM7805，數據表將結到環(huán)境的熱阻列為 54 °C/W！這是一個(gè)巨大的散熱水平：在穩壓器的 3 W 功耗下（這肯定會(huì )在高輸入電壓下發(fā)生，即使電流很低），隨著(zhù)穩壓器的溫度升高 162 °C，設計可能會(huì )失敗。

LM7805ACT 的熱阻為 65 °C/W。添加 PCB散熱器可能會(huì )幫助您降低這個(gè)數字。

有時(shí)，數據表只會(huì )列出絕對最大功耗。有時(shí)會(huì )出現這種情況，即組件具有一些保護措施來(lái)幫助防止故障。某些組件將包含熱關(guān)斷值，因此它們將專(zhuān)注于操作期間的絕對最高溫度。要記住的另一點(diǎn)是熱阻是一個(gè)系統級指標；如果在組件上添加 PCB散熱器，則從封裝到環(huán)境的熱阻可能在 10 °C/W 左右，比典型的結到環(huán)境熱阻值有了很大的改進(jìn)。

安裝 PCB散熱器的最佳方法

當我們提到“PCB散熱器”時(shí)，我們不一定指的是焊接到 PCB表層的器件。這些設備可以直接安裝到組件封裝上，以提供遠離組件的高散熱。它們也可以安裝在 PCB的背面，或者它們可以用作將熱量散發(fā)到外殼中的橋梁。

確保您的散熱器可以拯救您的 PCB。

PCB散熱器可以機械安裝（使用夾子或螺釘），使用導熱膏（油脂等）或導熱墊。高功率組件可能有一個(gè)散熱片或散熱墊，您可以將它們焊接到 PCB 上的一個(gè)墊上（連接到 GND 網(wǎng)絡(luò )），而不是焊接到 PCB散熱器上。但是，如果需要，您仍然可以為這些組件之一添加 PCB散熱器；這在使用 MOSFET 陣列的供電部分很常見(jiàn)；單個(gè)大型散熱器可以焊接在多個(gè)組件上以散發(fā)更多熱量。

考慮到對更小的 PCB 的需求，即需要在更小的封裝中獲得更大的處理能力，熱量是更多的問(wèn)題。在這些小板中，可能沒(méi)有空間放置風(fēng)扇、大型散熱器或組件之間的間距以防止板周?chē)臒釘U散。當您將具有高散熱性的電路板放入封閉的外殼中時(shí)，主要發(fā)熱組件的溫度通常會(huì )升高到更高的值。當然，通風(fēng)口將有助于排出任何氣流并有助于降低溫度，但這種方法僅與在 PCB 本身上實(shí)施的散熱技術(shù)一樣有效。對于無(wú)法容納風(fēng)扇的超高功率設計，創(chuàng )造性的外殼設計將是熱管理的主要驅動(dòng)力。

PCB散熱器是在高功率組件中正確散熱的好方法。由于 PCB散熱器有各種尺寸和形狀，您需要確保創(chuàng )建正確的封裝和機械模型，并且您擁有最好的 PCB設計軟件來(lái)使用它。