Cómo calcular la capacidad de corriente del plano de potencia de un PCB

Los planos de potencia son una parte integral de su PCB, pero ¿qué tan grandes deben ser y qué corriente puede llevar cómodamente un plano grande? La verdad es que un diseñador tiene cierta flexibilidad para ajustar sus restricciones y acomodar corrientes mayores en sus planos de potencia de PCB, pero el tamaño del plano de potencia limitará la capacidad máxima de corriente del plano de potencia de PCB. Cuando necesite asegurar una alta fiabilidad, los estándares de IPC son un buen punto de partida para dimensionar su plano de potencia y asegurar que su placa se mantenga fresca.

Entendiendo la Capacidad de Corriente del Plano de Potencia de PCB

Los planos de potencia y tierra cumplen múltiples propósitos en su PCB más allá de solo llevar corriente hacia y desde los componentes. Son una parte integral de la integridad de potencia de CC y CA, y a menudo requieren la misma atención al detalle que el resto de su diseño de PCB.

Dado que todos los conductores tienen alguna resistencia de CC, disiparán algo de potencia como calor cuando transportan corriente. Al igual que cualquier otro conductor, el tamaño de un plano de cobre determinará su resistencia de CC, lo cual determinará cuánta potencia se disipa como calor en el plano de potencia. Al igual que al intentar determinar los anchos mínimos de traza, hay un tamaño mínimo de plano de potencia para una corriente de CC requerida dada, o una capacidad máxima de corriente del plano de potencia de PCB para un tamaño de plano dado.

¿Por qué usar planos grandes?

Desde la perspectiva de la resistencia de CC y la disipación de potencia, hay dos razones para usar planos de alimentación más grandes:

• Menor resistencia de CC: Los planos de alimentación físicamente más grandes pueden ser más anchos y tendrán una resistencia de CC menor que un plano estrecho, por lo que disipan menos calor.
• Mayor transferencia de calor: Los planos de alimentación en un PCB pueden transferir más calor lejos de los componentes calientes en comparación con el sustrato desnudo.

Por razones de CA y EMI, los planos físicamente más grandes también son deseables ya que proporcionan una mayor capacitancia interplana para el desacoplamiento en placas de alta velocidad, y proporcionan cierta aislación a la EMI. Sin embargo, dado que el trabajo principal de un plano de alimentación de PCB en muchos sistemas de alimentación es llevar corriente alta por toda la placa, el primer paso para comenzar a diseñar es determinar la máxima corriente que su plano puede llevar sin calentarse demasiado.

Cálculo de la Capacidad de Corriente del Plano de Alimentación

El mejor lugar para comenzar a calcular la capacidad de corriente de tu plano de potencia es utilizar la norma IPC 2221. Para diseños de alta tensión, esta norma cubre múltiples aspectos de fiabilidad del diseño pero se dice que es menos conservadora que la norma IPC 2152 relacionada. Este cálculo te dirá el aumento de temperatura que puedes esperar para un tamaño de plano y corriente dados, o se puede usar para determinar el tamaño del plano para una temperatura y corriente dadas. La mayoría de los calculadores que encontrarás en internet tomarán este último enfoque. Las entradas para este cálculo son:

• El aumento máximo de temperatura permitido desde la temperatura ambiente externa (10-20 °C es una elección común)
• El peso del cobre del plano de potencia
• La corriente requerida (en Amperios)

Primero, calcula el área mínima requerida usando tu corriente deseada y los valores de aumento de temperatura:

A continuación, calcula el ancho transversal del plano a partir del área usando el peso del cobre. El grosor de un plano de cobre con un peso de 1 oz./sq. ft. es de 0.35 mm, así que puedes usar esto para calcular la extensión de tu plano. Las mejores herramientas de diseño te ayudarán a evaluar tus resultados con un simulador posterior al diseño para identificar áreas donde la corriente y la temperatura son demasiado altas.

Si lo desea, puede invertir el proceso para obtener un límite de corriente para el aumento de temperatura permitido. Primero, necesitará resolver la ecuación anterior para la corriente. Luego, tome el área transversal de su plano y el aumento de temperatura especificado, e introdúzcalos en su ecuación resuelta. Ahora tiene el límite máximo de corriente para su plano de potencia.

Diseñando para Temperaturas o Corrientes Más Altas

Si necesita una disipación de calor extrema lejos de su placa, como en un sistema de potencia o un sistema automotriz, un cerámico o un sustrato con núcleo de metal son algunas opciones. Estos sustratos disiparán más calor lejos de la placa, por lo que puede esperar que su sistema mantenga una temperatura estable más baja durante la operación. Podría ser capaz de eliminar un ventilador de enfriamiento o un disipador de calor del sistema, dependiendo de dónde se vaya a desplegar la placa.

Otra opción sencilla es simplemente utilizar múltiples planos de potencia en varias capas. Como ejemplo de un proyecto reciente mío, hicimos un backplane de 6U que necesitaba transportar hasta 100 A desde un par de fuentes de alimentación intercambiables en caliente a múltiples tarjetas hijas en diferentes conectores. Tal placa ya es bastante grande, pero las secciones de los planos en una área de la placa solo podían transportar ~20 A sin aumentar la temperatura de la placa a un nivel inaceptable. ¿La solución? ¡Usar múltiples planos de potencia en diferentes capas! Ejecutar planos de potencia en paralelo es equivalente a usar cobre más grueso y aumentará tu capacidad total de corriente del plano de potencia de la PCB.

Un ejemplo similar se muestra a continuación, donde se utilizan dos planos de potencia a diferentes voltajes para transportar alta corriente. El plano de bajo voltaje/baja corriente se muestra en borgoña, y el plano de alto voltaje/alta corriente se muestra en verde. Si eres creativo con tu diseño de distribución de potencia, puedes dividir las corrientes entre diferentes planos para ayudar a mantener la temperatura de cualquier plano individual sin que sea demasiado alta.

Una vez que hayas determinado la capacidad de corriente del plano de potencia, puedes examinar la distribución de corriente continua en una simulación de CC con una herramienta de PDNA. Mark Harris proporciona dos excelentes tutoriales en estos artículos:

• Densidad de Corriente de Cobre para Simulaciones, La Manera Rápida y Sencilla
• Inicio Rápido del Analizador de PDN en un PCB de Controlador de Motor

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