在設(shè)計(jì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)的 PCB 布局布線時(shí)，熱性能是最重要的考慮因素之一。熱設(shè)計(jì)不良會(huì)導(dǎo)致器件性能和系統(tǒng)性能顯著降低，甚至?xí)p壞 IC。DRV7308 是一款高壓集成式 GaN-FET BLDC 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，需要額外的設(shè)計(jì)考慮來(lái)更大限度地提升 250W-450V 系統(tǒng)中驅(qū)動(dòng)器的熱性能和效率。本文檔旨在重點(diǎn)介紹使用采用 GaN IPM DRV7308 的 250W 電機(jī)逆變器參考設(shè)計(jì)來(lái)設(shè)計(jì)具有高效散熱能力的 250W PCB 布局的主要方面。

針對(duì)熱效率的 PCB 層選擇注意事項(xiàng)

設(shè)計(jì)適用于大功率應(yīng)用的 PCB 時(shí)的第一個(gè)重要考慮因素是決定電路板的基板層數(shù)量。選擇適當(dāng)數(shù)量的層會(huì)對(duì)電路板電機(jī)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)的總體熱性能（與電路板材料上的散熱有關(guān)）產(chǎn)生重大影響。

對(duì)于高壓電機(jī)驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用（例如使用 DRV7308 的應(yīng)用），與兩層或六層以上的電路板相比，四層 PCB 可以在熱耗散、電氣性能和安全注意事項(xiàng)之間實(shí)現(xiàn)更好的平衡。DRV7308 的運(yùn)行功率為 250W，由于涉及高功率級(jí)別，因此支持電路需要出色的熱管理，并且具有專用銅電源平面和接地平面的四層電路板可實(shí)現(xiàn)這種有效的散熱。這些額外的層通過(guò)在整個(gè)內(nèi)層中分配熱量，來(lái)幫助消散設(shè)計(jì)功率級(jí)中的板載熱點(diǎn)產(chǎn)生的熱量，并防止這些熱點(diǎn)影響驅(qū)動(dòng)器的可靠性和安全性。這些額外的內(nèi)部層還可以增加 2oz 的覆銅厚度，從而更高效地散熱。

DRV7308 VQFN 封裝包含一個(gè)散熱焊盤(pán)，更利于將熱量從器件直接傳遞到 PCB 的通道上。

與四層電路板相比，6 層或 8 層電路板的額外厚度可充當(dāng)結(jié)構(gòu)內(nèi)的熱絕緣來(lái)吸收熱量，尤其是當(dāng)設(shè)計(jì)沒(méi)有充分排布散熱過(guò)孔來(lái)將熱量散發(fā)到表面或遠(yuǎn)離關(guān)鍵元件時(shí)。對(duì)于高電壓設(shè)計(jì)，為確保安全，簡(jiǎn)單性也很重要；利用四層結(jié)構(gòu)可降低不必要的設(shè)計(jì)復(fù)雜性，從而實(shí)現(xiàn)更好的布線寬度、布線、必要的隔離標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)仍實(shí)現(xiàn)有效的散熱?？傮w而言，四層 PCB 在熱性能和設(shè)計(jì)靈活性之間實(shí)現(xiàn)了出色的平衡。

散熱過(guò)孔的放置和密度

熱拼接過(guò)孔是另一個(gè)關(guān)鍵設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。散熱縫合通孔是另一種關(guān)鍵的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方法，對(duì)于更大限度地提高 TIDA-010273 250W 設(shè)計(jì)等更高功率應(yīng)用的熱性能十分必要。散熱過(guò)孔是巧妙放置在發(fā)熱器件（例如電容器、整流器和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 IC）下方或周圍的小型鍍銅孔，用于將熱量從表面層傳導(dǎo)至 PCB 的內(nèi)層或接地層。這種垂直熱路徑可以有效地將熱量從敏感元件散發(fā)出去，并將熱量散發(fā)到電路板上更廣泛的區(qū)域，從而降低了局部熱點(diǎn)的風(fēng)險(xiǎn)。在注重安全和熱管理的高壓 DRV7308 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)中，在適當(dāng)位置放置散熱過(guò)孔有助于確保溫度穩(wěn)定性，防止過(guò)熱，并提高整體電路板可靠性和效率。

過(guò)孔的尺寸和放置方式取決于應(yīng)用的具體散熱要求和電流負(fù)載。對(duì)于 250W 應(yīng)用，直徑為 0.3mm 至 0.5mm 的過(guò)孔非常有效。該尺寸提供了足夠的橫截面積，以便在不占用電路板空間或影響電氣隔離要求的情況下進(jìn)行熱傳遞。并行使用多個(gè)過(guò)孔也非常適合在器件熱點(diǎn)附近均勻散熱。對(duì)于 TIDA-010273 參考設(shè)計(jì)，過(guò)孔密度約為每 110mil² 12 個(gè)拼接過(guò)孔，可在驅(qū)動(dòng)器散熱焊盤(pán)和相位輸出端子下實(shí)現(xiàn)有效的熱傳遞，同時(shí)保持結(jié)構(gòu)完整性并避免電氣故障。如果元件需要一個(gè)扁平的安裝表面（如 DRV7308 的 VQFN 封裝），則必須填充或插入通孔，因?yàn)檫@有助于避免組裝過(guò)程中的焊料滲錫，從而確保元件與板之間的可靠接觸實(shí)現(xiàn)高效的熱傳遞。對(duì)于電流較高的設(shè)計(jì)，散熱過(guò)孔的鍍銅厚度也很重要。較厚的銅鍍層可提高導(dǎo)熱性，從而降低通過(guò)過(guò)孔的熱阻。具有較高覆銅重量（例如 2oz 覆銅）的 PCB 可從這些過(guò)孔中受益更多，因?yàn)?PDB 會(huì)將發(fā)熱元件直接連接到牢固的接地平面或電源平面，從而更好地分配累積的熱量。使用散熱過(guò)孔與較大的覆銅和適當(dāng)?shù)牟季€寬度相結(jié)合，有助于使 PCB 保持冷卻，從而提高 DRV7308 的熱性能和電氣性能。

工作電壓、電流和功率輸出

雖然 DRV7308 在不帶散熱器的情況下的額定功率為 250W，但使用 5A 峰值電流輸出來(lái)實(shí)現(xiàn)這一功率可能會(huì)導(dǎo)致 IC 產(chǎn)生的內(nèi)部熱量增加。根據(jù)電壓、電流和功率之間的關(guān)系 P = I x V，這是更有效的使用較高的電壓和較低的電流來(lái)達(dá)到所需的功率水平。例如，一項(xiàng) 250W 設(shè)計(jì)可通過(guò) 300V 電源電壓和 0.85A RMS 電流實(shí)現(xiàn)，或通過(guò)消耗 0.55A RMS 的 450V 電源實(shí)現(xiàn)。如前文所述，DRV7308 控制器的 R_DS(ON) 較低，只有 205mΩ，因此將其計(jì)入產(chǎn)生的熱量公式，其中的熱量與電流的平方成正比：熱量 = I²R_DS(ON)。在 0.85A 和 0.55A 的電流消耗下，在 300V 電壓下產(chǎn)生的熱量與在 450V 電壓下產(chǎn)生的熱量之比為 [2.4 : 1]，這意味著熱損耗顯著降低。此信息證明了為何建議盡可能在更接近最大額定電壓的情況下運(yùn)行，并確保布局設(shè)計(jì)和系統(tǒng)配備最大額定工作電壓為 450V 的元件。

結(jié)語(yǔ)

要實(shí)現(xiàn)熱效率較高的系統(tǒng)，需要做出許多重要決定，而為大功率、高電壓電機(jī)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì) PCB 時(shí)，需要仔細(xì)考慮熱管理技術(shù)，以確保更大限度地提高可靠性和效率。四層電路板通常是此類應(yīng)用的理想選擇，能夠在成本、散熱和電氣穩(wěn)定性之間實(shí)現(xiàn)平衡。覆銅面積越大，產(chǎn)生的熱量就會(huì)更有效地分布到電路板上，從而減少局部熱點(diǎn)，并允許過(guò)多的熱量通過(guò)表面和內(nèi)層散發(fā)。散熱過(guò)孔通過(guò)創(chuàng)建從表面貼裝元件到內(nèi)部接地平面或電源平面的垂直路徑，進(jìn)一步增強(qiáng)熱傳遞，有助于管理 DRV7308 的高熱負(fù)載。使用散熱過(guò)孔直徑（0.3mm 至 0.5mm）和密度 (12 / 110mil²) 可使熱量均勻分布，同時(shí)保持電路板的結(jié)構(gòu)完整性和高電壓隔離。元件放置和電源注意事項(xiàng)支持采用額外的選項(xiàng)，以減少產(chǎn)生的熱量和集中的熱量。這些設(shè)計(jì)元素相結(jié)合，可創(chuàng)建穩(wěn)健且高效散熱的 PCB，能夠滿足 250W GaN 的需求。