Wie man die Stromtragfähigkeit von PCB-Leiterplatten berechnet

Stromebenen sind ein integraler Bestandteil Ihrer Leiterplatte, aber wie groß sollten sie sein und welchen Strom können große Ebenen bequem führen? Die Wahrheit ist, dass ein Designer eine gewisse Flexibilität hat, um seine Beschränkungen anzupassen, um größere Ströme in seinen PCB-Stromebenen unterzubringen, aber die Größe der Stromebene wird die maximale Stromkapazität der PCB-Stromebene begrenzen. Wenn Sie eine hohe Zuverlässigkeit sicherstellen müssen, sind die IPC-Standards ein guter Ausgangspunkt, um Ihre Stromebene zu dimensionieren und sicherzustellen, dass Ihre Platine kühl bleibt.

Verständnis der Stromkapazität von PCB-Stromebenen

Strom- und Masseebenen erfüllen in Ihrer Leiterplatte mehrere Zwecke über das bloße Führen von Strom zu und von Komponenten hinaus. Sie sind ein integraler Bestandteil der DC- und AC-Stromintegrität und erfordern oft die gleiche Aufmerksamkeit für Details wie der Rest Ihres PCB-Layouts.

Da alle Leiter einen gewissen Gleichstromwiderstand haben, werden sie etwas Leistung als Wärme abgeben, wenn sie einen Strom führen. Genau wie bei jedem anderen Leiter bestimmt die Größe einer Kupferebene ihren Gleichstromwiderstand, der wiederum bestimmt, wie viel Leistung als Wärme in der Stromebene abgegeben wird. Genau wie beim Versuch, minimale Leiterbahnbreiten zu bestimmen, gibt es eine minimale Größe der Stromebene für einen gegebenen erforderlichen Gleichstrom oder eine maximale Stromkapazität der PCB-Stromebene für eine gegebene Ebenengröße.

Warum große Flächen verwenden?

Aus Sicht des Gleichstromwiderstands und der Leistungsverluste gibt es zwei Gründe, größere Stromflächen zu verwenden:

• Niedrigerer Gleichstromwiderstand: Physisch größere Stromflächen können breiter gemacht werden und haben einen niedrigeren Gleichstromwiderstand als eine schmale Fläche, sodass sie weniger Wärme abgeben.
• Größerer Wärmeübergang: Stromflächen auf einer Leiterplatte können mehr Wärme von heißen Komponenten wegtransportieren im Vergleich zum nackten Substrat.

Für Wechselstrom- und EMI-Gründe sind physisch größere Flächen ebenfalls wünschenswert, da sie eine größere Zwischenflächenkapazität für die Entkopplung bei Hochgeschwindigkeitsplatinen bieten und sie bieten eine gewisse Isolation gegenüber EMI. Da jedoch die Hauptaufgabe einer PCB-Stromfläche in vielen Stromsystemen darin besteht, hohen Strom über die Platine zu führen, ist der erste Schritt beim Entwerfen die Bestimmung der maximalen Stromkapazität Ihrer Fläche, ohne dass sie zu heiß wird.

Berechnung der Stromkapazität der Stromfläche

Der beste Ausgangspunkt, um die Stromkapazität Ihrer Stromebene zu berechnen, ist die Verwendung der IPC 2221 Norm. Für hochspannungsdesigns deckt diese Norm mehrere Aspekte der Designzuverlässigkeit ab, gilt jedoch als weniger konservativ als die verwandte IPC 2152 Norm. Diese Berechnung wird Ihnen den Temperaturanstieg anzeigen, den Sie für eine gegebene Ebenengröße und Strom erwarten können, oder sie kann verwendet werden, um die Ebenengröße für eine gegebene Temperatur und Strom zu bestimmen. Die meisten Rechner, die Sie im Internet finden, werden den letzteren Ansatz verwenden. Die Eingaben in diese Berechnung sind:

• Der maximal zulässige Temperaturanstieg gegenüber der externen Umgebungstemperatur (10-20 °C ist eine gängige Wahl)
• Das Kupfergewicht der Stromebene
• Der erforderliche Strom (in Ampere)

Zuerst berechnen Sie die minimal erforderliche Fläche unter Verwendung Ihrer gewünschten Strom- und Temperaturanstiegswerte:

Als Nächstes berechnen Sie die Querschnittsbreite der Ebene aus der Fläche unter Verwendung des Kupfergewichts. Die Dicke einer Kupferebene mit einem Gewicht von 1 oz./sq. ft. beträgt 0,35 mm, sodass Sie dies verwenden können, um die Spannweite Ihrer Ebene zu berechnen. Die besten Design-Tools helfen Ihnen, Ihre Ergebnisse mit einem Post-Layout-Simulator zu bewerten, um Bereiche zu erkennen, in denen Strom und Temperatur zu hoch sind.

Wenn Sie möchten, können Sie dies umkehren, um eine Strombegrenzung für Ihren zulässigen Temperaturanstieg zu erhalten. Zuerst müssen Sie die obige Gleichung nach dem Strom auflösen. Nehmen Sie dann den Querschnittsbereich Ihrer Ebene und Ihren spezifizierten Temperaturanstieg und setzen Sie diese in Ihre gelöste Gleichung ein. Sie haben nun die maximale Strombegrenzung für Ihre Stromebene.

Design für höhere Temperaturen oder Ströme

Wenn Sie eine extreme Wärmeableitung von Ihrer Platine benötigen, wie in einem Stromsystem oder einem Automobilsystem, sind ein keramisches oder metallkernbasiertes Substrat einige Optionen. Diese Substrate werden mehr Wärme von der Platine ableiten, sodass Sie erwarten können, dass Ihr System während des Betriebs eine niedrigere stationäre Temperatur aufweist. Abhängig vom Einsatzort der Platine könnten Sie möglicherweise einen Kühlventilator oder Kühlkörper aus dem System entfernen.

Eine weitere einfache Option besteht darin, einfach mehrere Stromebenen auf mehreren Schichten zu verwenden. Als Beispiel aus einem kürzlichen Projekt von mir haben wir ein 6U-Backplane gemacht, das bis zu 100 A von einem Paar hot-swappable Stromversorgungen zu mehreren Tochterkarten auf verschiedenen Anschlüssen übertragen musste. Eine solche Platine ist bereits ziemlich groß, aber die Ebenenabschnitte in einem Bereich der Platine konnten nur ~20 A tragen, ohne die Temperatur der Platine auf ein inakzeptables Niveau zu erhöhen. Die Lösung? Verwenden Sie mehrere Stromebenen auf verschiedenen Schichten! Stromebenen parallel zu betreiben, entspricht der Verwendung von dickerem Kupfer und wird Ihre gesamte PCB-Stromebenen-Stromkapazität erhöhen.

Ein ähnliches Beispiel wird unten gezeigt, wo zwei Stromebenen mit unterschiedlichen Spannungen verwendet werden, um hohen Strom zu tragen. Die Niederspannung-/Niedrigstromebene wird in Burgunderrot gezeigt, und die Hochspannung-/Hochstromebene wird in Grün gezeigt. Wenn Sie kreativ mit Ihrem Stromverteilungsdesign sind, können Sie Ströme zwischen verschiedenen Ebenen aufteilen, um zu helfen, die Temperatur einer einzelnen Ebene davon abzuhalten, zu hoch zu werden.

Sobald Sie die Stromkapazität der Stromebene bestimmt haben, können Sie die Gleichstromverteilung in einer Gleichstromsimulation mit einem PDNA-Tool untersuchen. Mark Harris bietet zwei großartige Tutorials in diesen Artikeln:

• Kupferstromdichte für Simulationen, der schnelle und schmutzige Weg
• PDN Analyzer Schnellstart auf einer Motorsteuerungs-PCB

Wenn Sie Leistungselektronik entwerfen und die Zuverlässigkeit Ihres nächsten Systems sicherstellen möchten, verwenden Sie den kompletten Satz an PCB-Design- und Layout-Tools in Altium Designer® für Ihr nächstes Design. Der verbesserte Design Rules Editor in der neuesten Version von Altium Designer ermöglicht es Ihnen, IPC-Standards als Ihre Designregeln zu definieren und hilft Ihnen, ein fertigbares Layout zu erstellen. Sie können auch die Hochspannungs-Design-Tools und die PDN Analyzer-Erweiterung verwenden, um sicherzustellen, dass Sie die Stromkapazität Ihrer PCB-Stromebene nicht überschritten haben, während Sie Ihr PCB-Layout erstellen.
 
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