一种手机与卡类终端的PCB热设计方法

　　摘要：针对市场上手机与卡类终端平台的功耗导致热增多的问题，本文介绍了一种简单实用的PCB布局热设计方法。该方法可以实现PCB良好的热布局，同时提高了产品的可靠性和用户体验。

　　关键词：功耗;PCB布局;热设计

　　概述

　　随着3G/4G网络的部署和在用户终端上集成的功能应用越来越多，虽然终端平台厂家利用更高的工艺和算法来降低功耗，但是终端平台的功耗却一直呈现上升的趋势。我们做过的几款终端产品功耗甚至已经接近了4W，随着功耗的增加除了部分能量辐射到空中后，大部分的能量以热的形式散发出去，同时用户终端要求外形是越来小巧，与市面上的U盘的体积已经非常的接近，在这么小体积内要耗散这么大的功耗，结构件的表面温度是非常高的，已经严重影响了用户的体验甚至影响到了系统的稳定性，因此在设计的时候，终端产品的PCB布局是非常重要的。可以说，一个良好的热布局意味着良好的系统性能和用户体验，也是产品能否通过欧美高端运营商测试的非常重要的因素。

　　PCB布局遵循的常规方法很多，如：热点分散;将发热最大的器件布置在散热最佳位置;高热耗散器件在与基板连接时应尽能减少它们之间的热阻;PCB的每一层要大量铺铜且多打通孔等。而在进行PCB布局前，对PCB的热设计至关重要。本文介绍了一种根据热源器件的功耗分析进行PCB热设计的方法，该方法简单实用，在多个项目中都得到了使用，其效果良好。这种方法进行PCB的热设计分如下4步进行。

　　第一步：估算发热器件的功耗。

　　第二步：根据发热器件的功耗计算发热器件周围多大范围内不能有其它发热器件。

　　第三步：根据发热器件的功耗计算发热器件的实际工作结温以及相对环境的温升有多大。

　　第四步：根据第二步和第三步的数据进行PCB的热设计。

　　市场上卡类终端的功耗现状和面临的挑战

　　随着LTE无线网络的部署，下行的数据速率已经达到并超过了1Gbps，要处理这么高的数据速率，数据终端必需要很高的数据处理能力，同时必然带来功耗的增加。而我们正在研发的几款产品均出现了热的问题，有几款样机在大速率数据传输时甚至在几分钟内就出现系统崩溃的现象，而这些问题的根源就是发热，热设计已经成为了卡类终端的一个挑战。苹果公司iPAD产品的一个实例，大量用户反馈其产品在较高环境下出现问题，这从侧面反映了热设计对于终端产品的重要性。功耗热已经成为了工程师在产品设计的初期需要认真考虑的一个关键问题。

　　终端平台的热源器件主要有基带芯片、射频芯片、功放、电源管理芯片等，这些器件的功耗有的可以从厂商给的datasheet中查到，有的查不到，对于从datasheet中查不到功耗数据的热源器件，需要根据经验或同类项目的测试数据进行估算，还可以直接向平台提供商索取相关数据。表1为某项目主要热功耗器件的功耗评估结果。

　　从表1的数据中我们可以看到一款数据卡的功耗已经接近了4W，要想在U盘大小的结构件内耗散这么大的热量，PCB的热设计可以说已经成了产品能否可靠工作的一个至关重要的设计考量。

　　卡类终端产品的一种热布局算法

　　自然对流冷却的热流密度经验值是0.8mW/mm2，即当每平方毫米的面积上分布的功率是0.8mW时，可以产生很好的自然对流冷却效果。热源器件的热距离的计算是基于此经验值进行的。计算方法如下：

　　设某芯片的长是L(mm)，宽是W(mm)，该器件的功耗是Pd(mW)。

　　要达到自然对流冷却效果，该器件应占用的PCB面积是：