高密度模塊電源系統的PCB布局與散熱設計

在這篇關于高性能 PCB 布局原理的概述中，Joe Aguilar 說明了散熱設計方法并提供供電網絡 (PDN) 概述，講述降低阻抗的大電流路由策略以及設計高效去耦電容的一些重要考慮因素。

高性能計算的電源設計：

任務關鍵型 PCB

電源系統設計一般會關注從電源向負載供電所需的轉換器、分立式組件和配件，不僅將印刷電路板 (PCB) 作為安裝及路由層，而且還主要依靠反饋控制電路，彌補典型 PCB 中的大量小型損耗和阻抗。但近年來，用于人工智能和超級計算的處理器等高密度負載高級程度和速度都得到了提升，讓每個組件的功能實現了最大化。

嚴格的穩壓要求和極高的瞬態壓擺率意味著：系統內壓降的每個來源和功耗的每個來源，無論有多小，都會產生可測量的負面影響。因此，PCB 布局是實現高性能電源的關鍵。本文簡要介紹高性能 PCB 布局的原理，其中包括散熱設計方法、供電網絡 (PDN) 概述、降低阻抗的大電流路由策略以及設計高效去耦電容的一些重要考慮因素。圖 1 是 Vicor 創建的最新設計的示例，主要針對測試和演示，將在本文中被使用。

圖 1：在這個測試電路板中，一個 PRM 穩壓器和兩個 VTM 電流倍增器安裝在一塊高密度 PCB 上，為一個仿真高性能計算處理器的負載模塊供電。工作時，將在 VTM 和負載模塊上安裝一款冷卻板或散熱器，另一款散熱器將安裝在 PRM 上。

散熱設計

電力系統設計中的熱管理目標是將熱量從產熱結點高效傳遞到周圍空氣中。一些傳遞會自然發生，但即使在常規設計中，一般也需要增加散熱片和風扇。高密度系統需要在設計過程的早期對 PCB 進行詳細的傳熱分析，以便最大限度將 PCB 本身作為熱導體。

圖 2：通過 PCB 的傳導是高密度熱管理的重要組成部分，需要使用等效電路來確定最有效的散熱路徑 (a)、(b)。良好的散熱設計可優化傳導和對流傳熱模式 (c)。

電力系統的主要熱源是電源轉換器等有源組件的內部結點。但對于拓撲散熱模型而言，它們可以表示為等效電路一端的節點，見圖 2(a)。來自該內部結點的熱量，到達電源系統周圍的環境空氣中必須通過的每個組件或材料，可以表示為阻礙熱量流向環境空氣的阻抗器。一個等效熱電路顯示了最明顯的路徑熱量源于一個電源轉換器的內部結點：通過外殼、TIM，最后通過散熱器進入周圍空氣。此外，它還顯示了通過 PCB 的第二條不太明顯的并行路徑。第二條路徑經常被忽視，但它對高密度電源設計的重要性再怎么強調也不為過。

熱模型可能會變得相當復雜，因為每個網或位置的熱阻抗都不同。無論復雜程度怎樣，熱模型都將識別出具有阻抗最低路徑的網絡，以將熱量從組件的內部結點帶走。設計人員隨后可使用該信息最大限度增加導熱，增加專門用于該網絡的銅箔，即延長外部銅箔層，并使用熱通孔增加超過最小表面積的表面積，以提高散熱潛力?？蛇m時使用各種類型的通孔：堆疊式通孔和埋孔、VIPPO 和傳統經由通孔都是設計人員工具套件中的有效選項。

PDN 概覽

PDN 阻抗處于高密度計算電源系統的重要中心點區域，特別是 PCB 內的 PDN 阻抗。這些系統工作頻率極高。在典型高性能計算電源系統中，PDN 由穩壓器輸出和傳感點之間的幾個組件組成，傳感點通常位于 CPU 內部，要么在裸片上，要么在 BGA 互連上。旁路電容器、去耦電容器與相關通孔及 BGA 互連構成 PDN 的分立式組件。強大的超級計算處理器產生的高頻率負載步進非?？?，控制環路幾乎無法將 PDN 的影響降至最低。這就是為什么 PDN 是設計中不可或缺的組成部分。

圖 3：穩壓器和 CPU 負載間供電網絡 (PDN) 的分立式組件的阻抗會嚴重影響電源設計效果，特別是在高頻率和大負載步進情況下。

大電流路由：降低 PDN 阻抗

預先定義 PCB 堆疊和平面圖，這一點非常重要，其中包括總層數、專門用于電源和接地的層數以及所用銅箔的重量。接下來為路由信號連續接地層確定專用層。然后為需要阻抗控制路由、有寄生限制或將帶來其它特殊注意事項的任何網絡定義所需的層。在為流耗是 1000 安培以上的大電流處理器設計時，正確把握這一點至關重要。

一些估算方法將為早期階段的 PCB 設計加速，使其更容易使用仿真來進一步完善設計。用平方法估算銅箔層電阻率是一種簡單有效的方法。此外，平方法的一種變化方法也可用于估算相鄰電源層和返回層的電感。

圖 4：估算電源層電阻與電感的平方法。

此外，通孔電阻與電感也可通過簡單的幾何計算來估算，因為通孔可概念化為一個卷成筒的薄銅片。因此，通孔電阻 (R) 等于鍍層電阻率 (r) 與通孔長度 (L) 的乘積再除以鍍層截面積 (A)。

圖 5：通孔電阻可通過基于幾何的簡單經驗法則估算。

寄生電容是 PCB 中阻抗的另一個重要來源，因此在任何仿真中都必須納入。與電阻及電感的估算一樣，近似計算 PCB 中的寄生電容從基本物理屬性開始：一般來說，一對平行導體層之間的電容會隨表面積的增大成正比增長；此外，其增長還與介電間距成反比。

圖 6：PCB 中的寄生電容是兩個層共享面積、這兩層的間距和材料標稱介電常數的函數。

去耦電容

高密度電源系統需要精挑細選的去耦電容器來過濾高頻率開關噪聲。這種應用需要電容器表現出極低的等效串聯電阻 (ESR) 和適量的自諧振頻率：超過該值，電容器將不再是有效的高頻率噪聲濾波器，因為由于等效串聯電感 (ESL) 的原因，其阻抗會變為電感?？偟膩碚f，電容值甚至可能都不那么重要。

圖 7：電容器的選擇和通孔布置對于實現高頻率開關噪聲的低阻抗濾波至關重要。

實現低 ESR 和低 ESL 是首要目標，為此，設計人員應該考慮更小的低電感和反幾何電容器，其不僅可將正負極更靠近一點，而且還可增加自諧振頻率。周密布置組件和通孔，對于最小化環路電感非常重要。

一個旨在用于以 10,000A/μs 的速率處理 1000A 負載步進的系統示例顯示了極為靠近電源模塊布置的 0402 去耦電容器如何衰減紋波以及插座中的其它電容器如何從 PDN 為負載去耦。

圖 7：采用高性能通孔排列進行適當電容器選擇和布置，可實現速率為 10,000A/μs 的 1000A 負載步進。

鑒于在當前高級處理器需要的電流量和電壓精度方面電源要求的不斷增加，因而為高性能計算和 AI 設計供電網絡是一項非常復雜的挑戰。因此，不僅需要散熱和 PDN 設計的最新建模與估算技術，而且還需要先進的組件選擇和安放標準。

如欲了解該主題的更深入討論，請報名參加有關高性能 PCB 布局和散熱設計技術的點播網絡研討會。

本文最初由 Signal Integrity Journal 發表

以上為中譯

Joe Aguilar

Vicor 高級經理，首席工程師

Joseph Aguilar 是 Vicor DC-DC 產品應用高級經理。他作為應用工程師在電力電子行業擁有超過 15 年的經驗。在 Aguilar 先生的職業生涯中，他從事的產品和應用范圍很廣，包括國防、工業、電信、照明和計算機。Aguilar 先生在他最近的工作中主要專注于高性能計算應用的產品和參考設計的開發。Aguilar 先生擁有馬薩諸塞州斯普林菲爾德的西新英格蘭學院的電子工程學士學位。

審核編輯：湯梓紅