1.概述

电机驱动器并不是理想的器件，在实际应用中，它们的一些功率会以热量的形式在内部耗散。必须在驱动器发生损坏之前处理转换为热量的能量。合理的 PCB 设计可有效消除因低效率而产生的热量，并能将器件保持在建议的温度范围。

2.PCB传导与对流

电机驱动器热性能的一个重要考虑因素是器件内部产生的热量能够消散的路径。热量从管芯进入低温环境的三条主要路径为：

• 封装材料
• 键合线
• 散热焊盘

以这三条路径为例，散热焊盘是从器件散热的最有效路径，其次是封装材料，最后是键合线。散热焊盘集成电路封装中使用的技术将建立从管芯到外部覆铜平面的低热阻路径。因此，散热焊盘能够有效地将大量热量从管芯中传导出去。在驱动器下方灌注的散热焊盘应足够大以便覆盖散热焊盘的整个区域，并且仍涵盖 PCB 其他部件很大的表面区域。散热焊盘还应通过直接放置在散热焊盘下方的几个散热过孔与底部接地平面紧密结合。

图 2-1 所示为器件管芯中产生的热量所使用的排出路径示例。

将顶部和底部接地平面全都连接到驱动器的散热焊盘可显著改善 PCB 设计中的散热性能。因此，应尽可能在布局中增大这些平面。

3.连续顶层散热焊盘

为了给驱动器管芯中产生的热量建立一条排出路径，一项重要要求是将散热焊盘连接到实心铜平面。为了使热量从器件中流走，从导热焊盘到电路板上其他区域的铜平面必须是连续的。一种较好的做法是从驱动器下方的铜填充位置建立一条较宽的排出路径，使这条路径进入具有大表面积的宽阔平面。如果这些平面被中断，热量的排出路径就会收缩，从而增加热阻。热阻的增加会在散热焊盘与同一平面上较宽的表面积之间产生更大温差。

图 2-2 所示为驱动器下方收缩的与连续的接地平面覆铜引起的温升示例。

在驱动器下方保持连续的覆铜散热焊盘对于器件的有效散热非常重要。建立通向具有大表面积的平面的宽路径可将驱动器散热焊盘和环境空气温度之间的热阻保持在尽可能低的水平。

4.覆铜厚度

虽然连续的宽平面会降低热阻，但平面上的覆铜厚度也是 PCB 热性能的重要考虑因素。通过增加 PCB 上的镀铜厚度，平面的有效热阻会降低。可使用方程式 1 计算覆铜厚度与平面面积之间的关系。

假设长度和宽度为 1cm，镀层厚度为 1 盎司 (0.0035cm)，那么横向连接到驱动器覆铜平面的近似热阻计算方式如方程式 2 所示。

如果覆铜厚度加倍至 2 盎司 (0.007cm)，那么横向连接到驱动器且尺寸与方程式 2 相同的覆铜平面的热阻计算方式如方程式 3 所示。

如果覆铜厚度加倍，相同尺寸平面的热阻将减半。在连接到驱动器的接地平面上使用更厚的铜有助于提高将热量从器件传导到环境空气中的效率，而且不会在电路板上造成显著的温差。

5.散热过孔连接

散热过孔应将顶层和底层连接在一起，以便热量能够从 IC 散发到这两层上。散热连接件不用于散热过孔，因为热量从顶部平面通过过孔流向底部平面的路径会受到限制。这条热流路径受限会导致顶部平面过孔周围剩余部分的温度升高。直接连接过孔可尽可能降低过孔与铜层之间的热阻。散热过孔应使其到内部接地平面的完整连接围绕整个镀铜通孔周界。不要用阻焊层覆盖过孔，否则会导致过多的空隙。图 2-3 所示为散热过孔与直接连接过孔之间的温差。

散热接头将平面与过孔或元件进行电气连接，但它们会降低元件或过孔与平面之间的热量的流动性。这种做法是为了让烙铁或回流炉只加热元件并确保焊接连接可靠。对于不需要过孔进行平面之间的热传导的应用而言，这种方法非常有效。但是，对于电机驱动器等功率应用，为了提高层间的热性能，需要将这些过孔直接连接到平面。

6.散热过孔宽度

虽然散热焊盘在管芯和 PCB 的顶部接地平面之间提供了低阻抗散热路径，但应考虑连接顶部和底部接地平面的过孔的热阻抗。建议在散热焊盘正下方使用直径为 20mil、孔尺寸为 8mil 的散热过孔。根据 方程式 4 可计算出一个通过 1.561mm 厚的 FR-4 PCB 的散热过孔的热阻。

减小散热过孔的直径或增大孔尺寸会增加热阻。建议的 8mil 孔尺寸和 20mil 直径要求从散热焊盘到底层的焊料芯吸尽可能小，并使过孔的热阻保持尽可能小。图 2-4 所示为建议的过孔放置方式。

7.电机控制器电路板热设计总结

总之，电机驱动器系统热设计的主要考虑因素如下：
• 散热焊盘连接是器件管芯进行热传导的最有效路径。
• 使用从散热焊盘到接地平面的连续顶层灌注方式。
• 尽可能使用 1.5oz 或 2oz 铜。
• 使用直接连接的散热过孔。
• 使用 7.874mil x 19.874mil 散热过孔尺寸以避免过多的焊料芯吸。
• 将散热过孔组成阵列，以尽可能减小平面之间的热阻。