概述
隨著3G/4G網(wǎng)絡(luò)的部署和在用戶終端上集成的功能應(yīng)用越來越多,，雖然終端平臺廠家利用更高的工藝和算法來降低功耗,，但是終端平臺的功耗卻一直呈現(xiàn)上升的趨勢。我們做過的幾款終端產(chǎn)品功耗甚至已經(jīng)接近了4W,，隨著功耗的增加除了部分能量輻射到空中后,，大部分的能量以熱的形式散發(fā)出去，同時用戶終端要求外形是越來小巧,，與市面上的U盤的體積已經(jīng)非常的接近,，在這么小體積內(nèi)要耗散這么大的功耗，結(jié)構(gòu)件的表面溫度是非常高的,，已經(jīng)嚴(yán)重影響了用戶的體驗甚至影響到了系統(tǒng)的穩(wěn)定性,，因此在設(shè)計的時候，終端產(chǎn)品的PCB布局是非常重要的,?？梢哉f，一個良好的熱布局意味著良好的系統(tǒng)性能和用戶體驗,，也是產(chǎn)品能否通過歐美高端運營商測試的非常重要的因素,。
目前已經(jīng)可以見到很多常規(guī)的PCB布局方法，比如說：熱點分散;發(fā)熱器件的位置要合理;高熱耗散器件在與基板連接時應(yīng)盡能減少它們之間的熱阻;在每一層要多打孔,。對PCB的熱設(shè)計也由此顯得很重要,，因為塔決定著PCB布局的好壞。本文介紹了一種根據(jù)熱源器件的功耗分析進行PCB熱設(shè)計的方法,，該方法簡單實用,，在多個項目中都得到了使用，其效果良好,。這種方法進行PCB的熱設(shè)計分如下4步進行,。
第一步：估算發(fā)熱器件的功耗。
第二步：根據(jù)發(fā)熱器件的功耗計算發(fā)熱器件周圍多大范圍內(nèi)不能有其它發(fā)熱器件,。
第三步：根據(jù)發(fā)熱器件的功耗計算發(fā)熱器件的實際工作結(jié)溫以及相對環(huán)境的溫升有多大,。
第四步：根據(jù)第二步和第三步的數(shù)據(jù)進行PCB的熱設(shè)計。
市場上卡類終端的功耗現(xiàn)狀和面臨的挑戰(zhàn)
隨著LTE無線網(wǎng)絡(luò)的部署,，下行的數(shù)據(jù)速率已經(jīng)達(dá)到并超過了1Gbps,，要處理這么高的數(shù)據(jù)速率，數(shù)據(jù)終端必需要很高的數(shù)據(jù)處理能力,，同時必然帶來功耗的增加,。而我們正在研發(fā)的幾款產(chǎn)品均出現(xiàn)了熱的問題，有幾款樣機在大速率數(shù)據(jù)傳輸時甚至在幾分鐘內(nèi)就出現(xiàn)系統(tǒng)崩潰的現(xiàn)象,，而這些問題的根源就是發(fā)熱,，熱設(shè)計已經(jīng)成為了卡類終端的一個挑戰(zhàn)。蘋果公司iPAD產(chǎn)品的一個實例，大量用戶反饋其產(chǎn)品在較高環(huán)境下出現(xiàn)問題,，這從側(cè)面反映了熱設(shè)計對于終端產(chǎn)品的重要性,。功耗熱已經(jīng)成為了工程師在產(chǎn)品設(shè)計的初期需要認(rèn)真考慮的一個關(guān)鍵問題。
終端平臺的熱源器件主要有基帶芯片,、射頻芯片,、功放、電源管理芯片等,，這些器件的功耗有的可以從廠商給的datasheet中查到,，有的查不到，對于從datasheet中查不到功耗數(shù)據(jù)的熱源器件,，需要根據(jù)經(jīng)驗或同類項目的測試數(shù)據(jù)進行估算,，還可以直接向平臺提供商索取相關(guān)數(shù)據(jù)。表1為某項目主要熱功耗器件的功耗評估結(jié)果,。
從表1的數(shù)據(jù)中我們可以看到一款數(shù)據(jù)卡的功耗已經(jīng)接近了4W,，要想在U盤大小的結(jié)構(gòu)件內(nèi)耗散這么大的熱量，PCB的熱設(shè)計可以說已經(jīng)成了產(chǎn)品能否可靠工作的一個至關(guān)重要的設(shè)計考量,。
從表1的數(shù)據(jù)中我們可以看到一款數(shù)據(jù)卡的功耗已經(jīng)接近了4W,，要想在U盤大小的結(jié)構(gòu)件內(nèi)耗散這么大的熱量，PCB的熱設(shè)計可以說已經(jīng)成了產(chǎn)品能否可靠工作的一個至關(guān)重要的設(shè)計考量,。
卡類終端產(chǎn)品的一種熱布局算法
自然對流冷卻的熱流密度經(jīng)驗值是0.8mW/mm2,，即當(dāng)每平方毫米的面積上分布的功率是0.8mW時，可以產(chǎn)生很好的自然對流冷卻效果,。熱源器件的熱距離的計算是基于此經(jīng)驗值進行的,。計算方法如下：
設(shè)某芯片的長是L(mm)，寬是W(mm),，該器件的功耗是Pd(mW)。
要達(dá)到自然對流冷卻效果,，該器件應(yīng)占用的PCB面積是：
限定器件長邊和寬邊的熱距離相等,，均為x(mm)，則把熱距離考慮在內(nèi)該器件占用的PCB面積是：
以上計算僅考慮了PCB單面散熱,，實際PCB雙面都可以散熱,，如果熱源器件背面沒擺放其它器件，那么背面的銅皮也可以起到散熱作用,，此時的熱距離將是上面計算所得數(shù)據(jù)的一半,，即：
下面計算熱源器件所占的PCB面積。
在PCB布局中,，上面的計算數(shù)據(jù)往往是不可行的,，因為PCB的面積有限，如果按上面的數(shù)據(jù)進行布局的話，PCB的面積就不夠用了,，所以需要對上面的數(shù)據(jù)按一定比例壓縮,，可以把上面的熱距離除2作為壓縮后的熱距離，由此計算壓縮熱距離后熱源器件所占的PCB面積如下：
熱源器件背面有器件,，壓縮后所占PCB面積：S1=
熱源器件背面無器件,，壓縮后所占PCB面積：S2=
。表2計算了本項目熱源器件的布局熱距離及布局面積,。
器件的熱工作可靠性分析
任何一個熱源器件能承受的最高結(jié)溫是有限的,，這個最高結(jié)溫在廠家給出的datasheet內(nèi)都能查到，如果熱源器件實際工作的結(jié)溫高出了能承受的最高結(jié)溫,，那么熱源器件的工作將會進入不可靠狀態(tài),，對于這種情況，在PCB布局時就要考慮把這類器件遠(yuǎn)離其它發(fā)熱器件,，周圍大面積鋪銅,，所在位置正下方的內(nèi)層和底層也大面積鋪銅，以此來解決這類器件結(jié)溫過高的問題,，所以計算熱源器件實際工作的結(jié)溫在PCB的熱設(shè)計中也是非常重要的,。另外還需計算熱源器件相對于環(huán)境的溫升，知道了熱源器件相對于環(huán)境的溫升,，就知道了哪個熱源器件溫度最高,，這樣在熱布局過程就會做到心中有數(shù)。
終端產(chǎn)品熱設(shè)計算法和可靠性在項目中的應(yīng)用
熱源器件的功耗分析,、熱源器件的熱距離布局面積計算以及熱源器件的環(huán)境溫度分析都完成后就可以開始PCB的布局了,，PCB的布局需要遵循最基本的熱設(shè)計原則，如：熱點分散;將最高功耗和發(fā)熱最大的器件布置在散熱最佳位置;不要將發(fā)熱較高的器件放置在印制板的角落和四周邊緣;高熱耗散器件在與基板連接時應(yīng)盡能減少它們之間的熱阻等,，另外還要按照上面計算的壓縮熱間距布放熱源器件,，在熱源器件的壓縮熱間距內(nèi)盡量少布器件，更不能布放發(fā)熱器件,，熱源器件的背面也要盡量少布器件,，更不能布放發(fā)熱器件。圖1為本項目的最終PCB版圖,，圖2為其溫度測量圖,。由圖可見，本設(shè)計方法是實用的,。
結(jié)語
通過功耗分析進行PCB的熱設(shè)計是我們在項目的熱設(shè)計過程中探索得出的經(jīng)驗,，實踐證明降溫效果是很明顯的，有效的降低了整機的溫度,，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性,。