Come Calcolare la Capacità di Corrente del Piano di Alimentazione del PCB

I piani di alimentazione sono una parte integrante del tuo PCB, ma quanto dovrebbero essere grandi e quale corrente può trasportare comodamente un piano di grandi dimensioni? La verità è che un progettista ha una certa flessibilità nell'adattare i propri vincoli per accomodare correnti maggiori nei suoi piani di alimentazione del PCB, ma la dimensione del piano di alimentazione limiterà la capacità massima di corrente del piano di alimentazione del PCB. Quando è necessario garantire un'elevata affidabilità, gli standard IPC sono un buon punto di partenza per dimensionare il tuo piano di alimentazione in modo da assicurare che la tua scheda rimanga fresca.

Comprendere la Capacità di Corrente del Piano di Alimentazione del PCB

I piani di alimentazione e di massa svolgono molteplici funzioni nel tuo PCB oltre a trasportare semplicemente corrente verso e dai componenti. Sono una parte integrante dell'integrità dell'alimentazione DC e AC e spesso richiedono la stessa attenzione ai dettagli del resto del layout del tuo PCB.

Poiché tutti i conduttori hanno una certa resistenza DC, dissiperanno una certa potenza sotto forma di calore quando trasportano corrente. Proprio come per qualsiasi altro conduttore, la dimensione di un piano in rame determinerà la sua resistenza DC, che a sua volta determinerà quanta potenza viene dissipata sotto forma di calore nel piano di alimentazione. Proprio come quando si cerca di determinare le larghezze minime delle tracce, esiste una dimensione minima del piano di alimentazione per una data corrente DC richiesta, o una capacità massima di corrente del piano di alimentazione del PCB per una data dimensione del piano.

Perché Utilizzare Piani di Grandi Dimensioni?

Dal punto di vista della resistenza in corrente continua e della dissipazione di potenza, ci sono due motivi per utilizzare piani di potenza più grandi:

• Minore resistenza in corrente continua: I piani di potenza fisicamente più grandi possono essere resi più larghi e avranno una resistenza in corrente continua inferiore rispetto a un piano stretto, quindi dissipano meno calore.
• Maggiore trasferimento di calore: I piani di potenza in un PCB possono trasferire più calore lontano dai componenti caldi rispetto al substrato nudo.

Per motivi di corrente alternata e EMI, i piani fisicamente più grandi sono anche desiderabili poiché forniscono una maggiore capacitanza interplana per il decoupling nelle schede ad alta velocità, e forniscono un certo isolamento all'EMI. Tuttavia, poiché il lavoro principale di un piano di potenza PCB in molti sistemi di alimentazione è trasportare alta corrente intorno alla scheda, il primo passo nella progettazione è determinare la massima corrente che il tuo piano può trasportare senza diventare troppo caldo.

Calcolo della Capacità di Corrente del Piano di Potenza

Il miglior punto di partenza per calcolare la capacità di corrente del tuo piano di alimentazione è utilizzare lo standard IPC 2221. Per progetti ad alta tensione, questo standard copre molti aspetti della affidabilità del design ma si dice che sia meno conservativo rispetto allo standard IPC 2152 correlato. Questo calcolo ti dirà l'aumento di temperatura che puoi aspettarti per una data dimensione del piano e corrente, oppure può essere usato per determinare la dimensione del piano per una data temperatura e corrente. La maggior parte dei calcolatori che troverai su internet adotterà quest'ultimo approccio. Gli input per questo calcolo sono:

• L'aumento massimo di temperatura consentito rispetto alla temperatura ambiente esterna (10-20 °C è una scelta comune)
• Il peso del rame del piano di alimentazione
• La corrente richiesta (in Ampere)

Prima, calcola l'area minima richiesta usando la corrente desiderata e i valori di aumento di temperatura:

Successivamente, calcola la larghezza trasversale del piano dall'area usando il peso del rame. Lo spessore di un piano di rame con un peso di 1 oz./sq. ft. è di 0,35 mm, quindi puoi usare questo per calcolare l'ampiezza del tuo piano. I migliori strumenti di progettazione ti aiuteranno a valutare i tuoi risultati con un simulatore post-layout per individuare aree dove la corrente e la temperatura sono troppo elevate.

Se lo desideri, puoi invertire il procedimento per ottenere un limite di corrente per l'aumento di temperatura consentito. Prima di tutto, dovrai risolvere l'equazione precedente per la corrente. Successivamente, prendi l'area trasversale del tuo piano e l'aumento di temperatura specificato, e inseriscili nell'equazione risolta. Ora hai il limite massimo di corrente per il tuo piano di alimentazione.

Progettare per Temperature o Correnti Superiori

Se hai bisogno di dissipare molto calore dalla tua scheda, come in un sistema di alimentazione o in un sistema automobilistico, un substrato ceramico o un substrato con nucleo metallico sono alcune opzioni. Questi substrati dissiperanno più calore dalla scheda, quindi puoi aspettarti che il tuo sistema mantenga una temperatura di stato stazionario più bassa durante il funzionamento. Potresti essere in grado di rimuovere una ventola di raffreddamento o un dissipatore dal sistema, a seconda di dove verrà impiegata la scheda.

Un'altra opzione semplice è quella di utilizzare più piani di alimentazione su più strati. Come esempio da un mio recente progetto, abbiamo realizzato un backplane 6U che doveva trasportare fino a 100 A da una coppia di alimentatori hot-swappable a più schede figlie su diversi connettori. Una scheda del genere è già piuttosto grande, ma le sezioni del piano in una zona della scheda potevano trasportare solo circa 20 A senza aumentare la temperatura della scheda a un livello inaccettabile. La soluzione? Utilizzare più piani di alimentazione su diversi strati! Far funzionare i piani di alimentazione in parallelo equivale all'uso di rame più spesso e aumenterà la capacità totale di corrente del piano di alimentazione del PCB.

Un esempio simile è mostrato di seguito, dove due piani di alimentazione a tensioni diverse sono utilizzati per trasportare alta corrente. Il piano a bassa tensione/bassa corrente è mostrato in bordeaux, e il piano ad alta tensione/alta corrente è mostrato in verde. Se sei creativo con il tuo design della distribuzione dell'alimentazione, puoi dividere le correnti tra diversi piani per aiutare a mantenere la temperatura di qualsiasi singolo piano da diventare troppo alta.

Una volta determinata la capacità di corrente del piano di alimentazione, puoi esaminare la distribuzione della corrente continua in una simulazione DC con uno strumento PDNA. Mark Harris fornisce due ottimi tutorial in questi articoli:

• Densità di Corrente del Rame per Simulazioni, Il Metodo Rapido e Semplice
• Guida Rapida all'Analizzatore di Rete di Alimentazione su un PCB per Driver di Motori

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