Comment calculer la capacité de courant d'un plan de puissance PCB

Les plans de masse sont une partie intégrante de votre PCB, mais quelle doit être leur taille, et quel courant un grand plan peut-il confortablement supporter ? La vérité est qu'un concepteur a une certaine flexibilité pour ajuster ses contraintes afin d'accommoder des courants plus importants dans ses plans de puissance de PCB, mais la taille du plan de puissance limitera la capacité maximale de courant du plan de puissance du PCB. Lorsque vous devez garantir une haute fiabilité, les normes IPC sont un bon point de départ pour dimensionner votre plan de puissance afin de vous assurer que votre carte reste froide.

Comprendre la capacité de courant du plan de puissance du PCB

Les plans de puissance et de masse remplissent plusieurs fonctions dans votre PCB au-delà de simplement transporter le courant vers et depuis les composants. Ils font partie intégrante de l'intégrité de la puissance DC et AC, et ils nécessitent souvent la même attention aux détails que le reste de la disposition de votre PCB.

Puisque tous les conducteurs ont une certaine résistance en DC, ils dissiperont une certaine puissance sous forme de chaleur lorsqu'ils transporteront un courant. Tout comme tout autre conducteur, la taille d'un plan en cuivre déterminera sa résistance en DC, ce qui déterminera la quantité de puissance dissipée sous forme de chaleur dans le plan de puissance. Tout comme lors de la tentative de détermination des largeurs minimales de trace, il existe une taille minimale de plan de puissance pour un courant DC requis donné, ou une capacité maximale de courant du plan de puissance du PCB pour une taille de plan donnée.

Pourquoi utiliser de grands plans ?

Du point de vue de la résistance en courant continu et de la dissipation de puissance, il y a deux raisons d'utiliser des plans de puissance plus grands :

• Résistance en courant continu plus faible : Les plans de puissance physiquement plus grands peuvent être rendus plus larges et auront une résistance en courant continu plus faible qu'un plan étroit, donc ils dissipent moins de chaleur.
• Transfert de chaleur plus important : Les plans de puissance dans un PCB peuvent transférer plus de chaleur loin des composants chauds par rapport au substrat nu.

Pour des raisons de courant alternatif et d'EMI, les plans physiquement plus grands sont également souhaitables car ils fournissent une plus grande capacité interplan pour le découplage dans les cartes à haute vitesse, et ils fournissent une certaine isolation à l'EMI. Cependant, puisque le travail principal d'un plan de puissance de PCB dans de nombreux systèmes d'alimentation est de transporter un courant élevé autour de la carte, le premier point de départ pour la conception est de déterminer le courant maximal que votre plan peut transporter sans devenir trop chaud.

Calcul de la capacité de courant du plan de puissance

Le meilleur point de départ pour calculer la capacité de courant de votre plan de puissance est d'utiliser la norme IPC 2221. Pour les conceptions haute tension, cette norme couvre plusieurs aspects de fiabilité de conception mais est réputée être moins conservatrice que la norme IPC 2152 associée. Ce calcul vous indiquera l'élévation de température que vous pouvez attendre pour une taille de plan et un courant donnés, ou il peut être utilisé pour déterminer la taille du plan pour une température et un courant donnés. La plupart des calculateurs que vous trouverez sur internet adopteront cette dernière approche. Les entrées dans ce calcul sont :

• L'augmentation de température maximale autorisée par rapport à la température ambiante externe (10-20 °C est un choix courant)
• Le poids du cuivre du plan de puissance
• Le courant requis (en Ampères)

Tout d'abord, calculez la surface minimale requise en utilisant votre courant désiré et les valeurs d'élévation de température :

Ensuite, calculez la largeur de la section transversale du plan à partir de la surface en utilisant le poids du cuivre. L'épaisseur d'un plan de cuivre avec un poids de 1 oz./sq. ft. est de 0,35 mm, vous pouvez donc utiliser cela pour calculer l'envergure de votre plan. Les meilleurs outils de conception vous aideront à évaluer vos résultats avec un simulateur post-layout pour repérer les zones où le courant et la température sont trop élevés.

Si vous le souhaitez, vous pouvez inverser cela pour obtenir une limite de courant pour votre élévation de température autorisée. Tout d'abord, vous devrez résoudre l'équation ci-dessus pour le courant. Ensuite, prenez la section transversale de votre plan et votre élévation de température spécifiée, et insérez-les dans votre équation résolue. Vous avez maintenant la limite maximale de courant pour votre plan d'alimentation.

Concevoir pour des températures ou des courants plus élevés

Si vous avez besoin d'une dissipation de chaleur extrême loin de votre carte, comme dans un système d'alimentation ou un système automobile, un substrat en céramique ou un substrat à âme métallique sont quelques options. Ces substrats dissiperont plus de chaleur loin de la carte, vous pouvez donc vous attendre à ce que votre système maintienne une température stable plus basse pendant le fonctionnement. Vous pourriez être en mesure de retirer un ventilateur de refroidissement ou un dissipateur thermique du système, selon l'endroit où la carte sera déployée.

Une autre option simple consiste à utiliser plusieurs plans d'alimentation sur plusieurs couches. Par exemple, dans un projet récent, nous avons réalisé un backplane 6U qui devait transporter jusqu'à 100 A depuis une paire d'alimentations échangeables à chaud vers plusieurs cartes filles sur différents connecteurs. Un tel circuit est déjà assez grand, mais les sections de plan dans une zone du circuit ne pouvaient transporter que ~20 A sans augmenter la température du circuit à un niveau inacceptable. La solution ? Utiliser plusieurs plans d'alimentation sur différentes couches ! Faire fonctionner des plans d'alimentation en parallèle équivaut à utiliser du cuivre plus épais et augmentera votre capacité totale de courant du plan d'alimentation du PCB.

Un exemple similaire est montré ci-dessous, où deux plans d'alimentation à différentes tensions sont utilisés pour transporter un courant élevé. Le plan à basse tension/faible courant est montré en bourgogne, et le plan à haute tension/fort courant est montré en vert. Si vous êtes créatif avec votre conception de distribution d'énergie, vous pouvez répartir les courants entre différents plans pour aider à maintenir la température de n'importe quel plan unique à un niveau bas.

Une fois que vous avez déterminé la capacité de courant du plan d'alimentation, vous pouvez examiner la distribution de courant continu dans une simulation DC avec un outil PDNA. Mark Harris fournit deux excellents tutoriels dans ces articles :

• Densité de courant du cuivre pour les simulations, la méthode rapide et efficace
• Démarrage rapide de l'analyseur PDN sur un PCB de pilote de moteur

Si vous concevez de l'électronique de puissance et que vous souhaitez garantir la fiabilité de votre prochain système, utilisez l'ensemble complet d'outils de conception et de mise en page de PCB dans Altium Designer® pour votre prochaine conception. L'éditeur de règles de conception amélioré dans la dernière version d'Altium Designer vous permet de définir les normes IPC comme vos règles de conception et vous aide à créer une mise en page manufacturable. Vous pouvez également utiliser les outils de conception haute tension et l'extension PDN Analyzer pour vous assurer que vous n'avez pas dépassé la capacité de courant de votre plan de puissance PCB lors de la création de votre mise en page PCB.
 
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