简介

汽车电子供应商在争相提供自动化、互联化和电气化解决方案的竞赛中面临不断增长的成本压力。而采用双层PCB设计是降低成本的一种有效方法。但双层PCB需要十分谨慎的设计，因为其散热特性不佳，有可能导致性能的降级。

在本文中，汽车专家将以MPS的MPQ4323-AEC1 为例给出实用建议，说明如何微调双层PCB的电路和布局设计，以实现最佳散热特性，同时符合CISPR25 5类标准。

采用双层PCB布局

PCB的层数取决于PCB空间、组件数量以及计划投入的生产成本。硬件设计师通常只有两层电路板可用。在汽车用双层PCB设计中，需要对DC开关电源的组件进行小心排布，才能满足EMC以及散热要求。

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设计方法

本文测试了9种双层PCB布局。每种布局都具有不同于其他布局的组件位置和少许更改，同时具有不同的多边形排布和过孔位置（见图1）。我们测试这九种不同的布局，以期找到能够改进EMC和散热性能的最佳方案。下文将重点介绍这些布局之间的散热性能和EMC性能差异。

双层布局设计建议

通过遵循一定的设计原则，可以实现散热与EMC同时优化的解决方案。以MPS的MPQ4323-AEC1为例（见图2），该直流开关电源采用散热性能优化的双层布局，并符合汽车级EMC CISPR25 Class 5的要求。

图3显示了基于以上示意图的PCB组件排布。

上述推荐布局具有实心顶部、底部GND平面和一个较大的 VIN 多边形。它还利用了PGND 过孔来连接顶层和底层。图4显示了该方案的散热图。Y形的 VIN 散热片在顶层吸取热量。PGND 过孔则连接顶层和底层，充当次级散热器。

电感（L3）也是有效的散热器（见图4）。在本示例中，引脚12上的开关节点必须具有较小的表面积，以免其因快速变化的电压（高du/dt）而成为发射天线。电感应尽可能地靠近引脚12，让热量经最短距离尽快流入电感。而且，要实现最佳EMC，还需将电感绕组的标记侧与引脚12对齐。这样，电感的外部铜绕组能够屏蔽电感线圈内具有高du/dt的噪声区域。图5显示了器件封装内的热分布。

能够将热量传递到PCB的最有效引脚包括VIN、PGND和SW。这些引脚通过PCB内部引线框架直接连接到上、下管MOSFET（分别为HS-FET和LS-FET）处。引线框架直接焊连在芯片内核下方，可以实现最有效的热流动。

靠近MOSFET的芯片部位热量更高，因为那里正是内部产生热量的地方。如图4所示，封装上的白色区域（最高67.8°C）温度要高于洋红色区域（约62°C）。铜的导热率为388W/mk，而硅的导热率为180W/mk。 这意味着热量在铜中的分布更均匀。而且，我们测得的温度是封装表面的温度，芯片内部温度还要高几度。

MOSFET在引线框架上的内部长度较短；相比而言模拟引脚（BOOT、VCC、AGND、FB、PG和EN）没有如此高的导热能力。因此，在设计布局时，电源引脚（VIN、PGND和SW）应具有较大的铜覆面以冷却器件，而靠近电源引脚的顶层就是最有效的散热器。

当顶层GND和底层GND之间的过孔越靠近电源引脚时，热流动越有效。因此我们建议将过孔安排在较热的位置。但需确保过孔不要太密集。太多过孔反而会因为铜覆面太少而阻碍顶层的热流动。

顶层具有直接的铜连接用于热流动非常重要。与此同时，由于与过孔之间的热串联，底层散热较差。因此，为实现良好的热传递，建议将直流开关电源放在顶层。

图6显示了一种DC/DC变换器周围GND平面有切口的传统布局。与此同时，VIN以Y形连接到底层。

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