PCB 銅層散熱

在某些應用中，可以利用 PCB 的銅層來幫助散熱，這前提是 PCB 上有足夠的空間，以形成足夠大的散熱面積。為了確保良好的熱傳導，器件的金屬片（Tab）或焊塊（Slug）通常會直接焊接在 PCB 上。

另一種方法是使用帶金屬底板（如鋁或銅）的 PCB，常見于 LED 燈具等場景，其中 PCB 被粘附在一塊鋁基板上，以加強熱傳導。

如果預算允許且設計上有需求，還可以在 PCB 中嵌入一塊銅塊，稱為“銅幣（Copper Coin）”。這使得功耗元件可以與其進行熱耦合（見圖3）。當應用場景為密封結構且無法設置通風口時，這種方案將非常有幫助。

添加散熱器

散熱器和 PCB 通常采用鋁或銅材料，通過在總質量與表面積之間取得平衡，實現期望的散熱效果。這些結構通常帶有多條散熱鰭片或尖刺，以最大化與空氣的接觸面積。

兩種材料都具備良好的導熱性能（鋁為237W/mK，銅為401W/mK），但原材料成本方面，鋁的價格約為銅的三分之一。

為實現良好的熱傳導，通常需要在功率器件的金屬焊盤和散熱器之間使用導熱墊片或導熱膏，并通過螺絲固定。

要計算使用散熱器后的總熱阻（RTOTAL），需要知道器件的結到殼體熱阻（ RθJC）、散熱器的熱阻、導熱膏或導熱墊片的熱阻。

假設 RθJC = 1.7°C/W，散熱器為2.67°C/W，導熱膏為0.33°C/W，則總熱阻為RTOTAL = 1.7 + 2.67 + 0.33 = 4.7°C/W。這套配置的工作溫度可通過以下公式計算：(PD?× RTOTAL) + TA，若在環境溫度（TA）為30°C 下耗散5W 功率，則器件的運行溫度為：(5 × 4.7) + 30 = 53.5°C

TCI系列的創新解決方案

在某些情況下，僅依靠散熱器不足以滿足系統要求，特別是在極端工況下。這時可以考慮主動散熱，最常見的方式就是集成風扇。

雖然這種方式合理有效，但風扇本身也可能成為潛在的故障點。當電源轉換器依賴強制風冷來維持設備在規定的溫度范圍內運行時，必須確保風扇在啟用時能夠正常旋轉，甚至建議持續監控其轉速。

幸運的是，許多半導體廠商都提供專用的風扇控制器，例如 Microchip Technology 的EMC2301。這類基于 I2C/SMBus 接口的設備不僅易于與微控制器集成，還通常具備閉環控制功能，并支持對風扇狀態的實時監控。

另外，液冷也是一種可選的散熱方案。這種方式在電動汽車中非常常見，其中 IGBT、MOSFET 以及功率模塊通常被集成在高功率密度的電機逆變器和電源轉換器中。

總結

隨著應用對電源模塊（PSU）的小型化、高集成度和高功率密度需求日益增長，熱設計在系統開發中的重要性也不斷提升。然而，應對這一挑戰的方法需依據具體的預算和設計限制而定。

最常見且成本最低的方式是采用自然對流結合散熱器的被動散熱方案。若被動方式無法滿足要求，下一步則是采用主動散熱，例如使用風扇進行強制通風。但這也意味著風扇需進行實時監控——一旦風扇失效，電源可能迅速過熱并損壞。

因此，在進行熱管理設計時，務必仔細閱讀產品的數據手冊和安裝指南。如有任何不明確之處，像 Traco Power 這樣的供應商始終愿意提供專業的技術支持。

文章作者：Simeon Tremp，產品經理