【導讀】汽車電子供應商在爭相提供自動化、互聯化和電氣化解決方案的競賽中面臨不斷增長的成本壓力。而采用雙層PCB設計是降低成本的一種有效方法。但雙層PCB需要十分謹慎的設計，因為其散熱特性不佳，有可能導致性能的降級。
在本文中，汽車專家將以MPS的MPQ4323-AEC1 為例給出實用建議，說明如何微調雙層PCB的電路和布局設計，以實現最佳散熱特性，同時符合CISPR25 5類標準。
采用雙層PCB布局
PCB的層數取決于PCB空間、組件數量以及計劃投入的生產成本。硬件設計師通常只有兩層電路板可用。在汽車用雙層PCB設計中，需要對DC開關電源的組件進行小心排布，才能滿足EMC以及散熱要求。
設計方法
本文測試了9種雙層PCB布局。每種布局都具有不同于其他布局的組件位置和少許更改，同時具有不同的多邊形排布和過孔位置（見圖1）。我們測試這九種不同的布局，以期找到能夠改進EMC和散熱性能的最佳方案。下文將重點介紹這些布局之間的散熱性能和EMC性能差異。
圖1: 9種不同布局的PCB面板
雙層布局設計建議
通過遵循一定的設計原則，可以實現散熱與EMC同時優化的解決方案。以MPS的MPQ4323-AEC1為例（見圖2），該直流開關電源采用散熱性能優化的雙層布局，并符合汽車級EMC CISPR25 Class 5的要求。
圖2：符合汽車級EMC標準且優化了散熱性能的MPQ4323原理圖
圖3顯示了基于以上示意圖的PCB組件排布。
圖3: MPQ4323雙層PCB的組件排布
上述推薦布局具有實心頂部、底部GND平面和一個較大的 VIN 多邊形。它還利用了PGND 過孔來連接頂層和底層。圖4顯示了該方案的散熱圖。Y形的 VIN 散熱片在頂層吸取熱量。PGND 過孔則連接頂層和底層，充當次級散熱器。
圖4: MPQ4323雙層PCB散熱圖
電感（L3）也是有效的散熱器（見圖4）。在本示例中，引腳12上的開關節點必須具有較小的表面積，以免其因快速變化的電壓（高du/dt）而成為發射天線。電感應盡可能地靠近引腳12，讓熱量經最短距離盡快流入電感。而且，要實現最佳EMC，還需將電感繞組的標記側與引腳12對齊。這樣，電感的外部銅繞組能夠屏蔽電感線圈內具有高du/dt的噪聲區域。圖5顯示了器件封裝內的熱分布。
圖5: MPQ4323封裝內的熱分布
能夠將熱量傳遞到PCB的最有效引腳包括VIN、PGND和SW。這些引腳通過PCB內部引線框架直接連接到上、下管MOSFET（分別為HS-FET和LS-FET）處。引線框架直接焊連在芯片內核下方，可以實現最有效的熱流動。
靠近MOSFET的芯片部位熱量更高，因為那里正是內部產生熱量的地方。如圖4所示，封裝上的白色區域（最高67.8°C）溫度要高于洋紅色區域（約62°C）。銅的導熱率為388W/mk，而硅的導熱率為180W/mk。 這意味著熱量在銅中的分布更均勻。而且，我們測得的溫度是封裝表面的溫度，芯片內部溫度還要高幾度。
MOSFET在引線框架上的內部長度較短；相比而言模擬引腳（BOOT、VCC、AGND、FB、PG和EN）沒有如此高的導熱能力。因此，在設計布局時，電源引腳（VIN、PGND和SW）應具有較大的銅覆面以冷卻器件，而靠近電源引腳的頂層就是最有效的散熱器。
當頂層GND和底層GND之間的過孔越靠近電源引腳時，熱流動越有效。因此我們建議將過孔安排在較熱的位置。但需確保過孔不要太密集。太多過孔反而會因為銅覆面太少而阻礙頂層的熱流動。 頂層具有直接的銅連接用于熱流動非常重要。與此同時，由于與過孔之間的熱串聯，底層散熱較差。因此，為實現良好的熱傳遞，建議將直流開關電源放在頂層。 圖6顯示了一種DC/DC變換器周圍GND平面有切口的傳統布局。與此同時，VIN以Y形連接到底層。
圖6: 采用傳統布局的MPQ4323在 PCB上的熱流動更少
比較兩種布局之間最大 TJUNCTION （白色區域）和 TAMBIENT 之間的溫度差（ΔT）。在散熱優化的建議布局（如圖4所示）中，ΔT為40.7°C；而在傳統方案中，ΔT為46.8°C。
我們推薦的布局比傳統布局溫度低6°C，而且并沒有使用額外的元件或更大的板空間。因此，通過巧妙布局全部5個電源引腳、設計更大的 VIN 區域以及頂層GND和底層 GND之間充足的PGND過孔，就可以實現散熱性能的提升。
MPQ4323-AEC1與同類解決方案的比較
圖7將同類解決方案（方案2）與MPQ4323-AEC1進行了比較。注意，這兩個器件具有相同的IC封裝尺寸，并在具有相同外部組件的布局上運行。
圖7: 方案2的PCB散熱效果
表1列出了兩種解決方案的特性。
表1: MPQ4323與同類解決方案的比較
說明：
1) 效率測量包括輸入濾波器、保護二極管和功率電感損耗。
測量結果表明，MPQ4323-AEC1憑借MPS先進的封裝技術具有更低的溫度，該技術可以將更多的熱量傳遞給PCB板。
EMC測量結果
圖8顯示了MPQ4323-AEC1在150kHz至30MHz范圍內進行傳導發射和輻射發射的CISPR25 5類標準EMC測試結果。
圖8：傳導發射（150kHz至108MHz）和輻射發射（150kHz至30MHz）（通過）
圖9顯示了MPQ4323-AEC1在30MHz和200MHz范圍內進行傳導發射和輻射發射的CISPR25 5類標準EMC測試結果。
圖9：水平輻射發射（30MHz至200MHz）和垂直輻射發射（30MHz至200MHz）（通過）
圖10顯示了MPQ4323-AEC1在200MHz和1GHz范圍內進行傳導發射和輻射發射的CISPR25 5類標準EMC測試結果。
圖10：水平輻射發射（200MHz至1GHz）和垂直輻射發射（200MHz至1GHz）（通過）
僅采用雙層PCB設計就通過汽車級EMC要求通常是一項艱巨的任務，但MPQ4323-AEC1的所有EMC測量結果都低于標準要求。雖然4層PCB是汽車直流開關電源的常見標準解決方案，但這無疑會增加成本。本文提供的雙層PCB方案也可以通過汽車EMC要求，同時還能保持較低的溫升。
推薦PCB布局
圖10所示為推薦PCB布局。其頂層顯示出 VIN的Y形布局具有較低的阻抗和噪聲。 頂層沒有過孔和導體放置在IC附近。只需將從頂層到底層的過孔放置在靠近電源引腳的位置用于熱流動。
圖11：推薦新布局（左：頂層；右：底層）
采用更佳的組件排布之后，兩層之間僅有三條走線（在底層上標記為紅色）。最長的走線為通向FB反饋電阻的 VOUT 采樣走線。VOUT沒有噪聲（這有利于EMC），并且抗擾度較高。這些走線都被封裝在底層GND中，該層屏蔽了所有不利于EMC的跡線。
C13和R4之間的 VOUT 走線應遠離開關節點，以提高對開關節點快速變化產生的電場抗擾能力。 GND層內的距離和屏蔽可減少耦合。
最敏感的走線是R6和反饋（FB，引腳7）之間的走線。該走線應布于頂層，而且應盡可能地短（幾毫米長）。IC下還應該有大而完整的GND平面，這也意味著底層的三條走線不應切斷IC附近的GND平面。切割GND平面會增加與其頻率相關的阻抗。保持GND平面完整是實現良好EMC與電路性能的基礎。
設計雙層汽車用PCB時應考慮以下幾點：
● 頂層的熱流動比底層更好；
● 相比更遠位置的過孔，靠近電源引腳的過孔具有更好的熱流動。
可遵循以下準則優化雙層PCB：
1. 最大化電源引腳的銅覆面，這會最大限度提高進入PCB的有效熱流動。
2. 電源引腳的散熱器優先級高于模擬引腳散熱器。
3. 將電感的標記側放置在盡可能靠近開關節點的位置，并最大程度地減少其銅覆面。
4. 不要用導體引線切割冷卻功率的多邊形區域。在緊鄰電源引腳的位置，這一點尤為重要，因為它將極大地減少從引腳流入PCB的熱量。
在考慮了每條鋪設走線及其對干擾、發射和抗擾度的影響之后，再恰當地選擇最佳位置、走線寬度以及過孔連接。
結語
高性價比的雙層PCB設計也可以在嚴苛的環境中有優秀的表現。本文已經驗證，MPQ4323-AEC1是一種低成本的設計，它可以輕松通過CISPR25標準EMI測試和OEM限制。 在這種汽車用PCB設計中，如果給予足夠的銅覆面進行熱耗散，在400kHz工作頻率、約100°C的環境溫度下，或在2.2MHz工作頻率、約80°C的環境溫度下，IC均能實現接近全輸出操作。MPS設計的散熱增強型引線框架可以實現高效率；是即使在緊湊且空間有限的系統中，也能提供熱性能出色的解決方案。
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