PCB 전력 평면 전류 용량 계산 방법

전력 평면은 PCB의 중요한 부분이지만, 그 크기는 얼마나 되어야 하며, 큰 평면은 얼마나 많은 전류를 편안하게 운반할 수 있을까요? 사실 설계자는 PCB 전력 평면에서 더 큰 전류를 수용하기 위해 제약 조건을 조정할 수 있는 일정한 유연성을 가지고 있지만, 전력 평면의 크기는 PCB 전력 평면의 최대 전류 용량을 제한할 것입니다. 높은 신뢰성을 보장해야 할 때, IPC 표준은 보드가 시원하게 유지되도록 전력 평면의 크기를 결정하는 좋은 출발점입니다.

PCB 전력 평면 전류 용량 이해하기

전력 및 접지 평면은 구성 요소로 전류를 전달하고 전달하는 것 이상의 목적을 PCB에서 제공합니다. 그것들은 DC 및 AC 전력 무결성의 중요한 부분이며, PCB 레이아웃의 나머지 부분과 마찬가지로 세심한 주의가 필요합니다.

모든 도체가 일정한 DC 저항을 가지고 있기 때문에, 일정한 전류를 운반할 때 일부 전력을 열로 소산시킬 것입니다. 다른 도체와 마찬가지로, 구리 평면의 크기는 그 DC 저항을 결정하며, 이는 전력 평면에서 열로 소산되는 전력의 양을 결정할 것입니다. 최소 트레이스 폭을 결정하려고 할 때와 마찬가지로, 주어진 필요 DC 전류에 대한 최소 전력 평면 크기가 있거나, 주어진 평면 크기에 대한 최대 PCB 전력 평면 전류 용량이 있습니다.

왜 큰 평면을 사용하나요?

DC 저항과 전력 소모의 관점에서, 큰 전력 평면을 사용하는 두 가지 이유가 있습니다:

• 낮은 DC 저항: 물리적으로 더 큰 전력 평면은 더 넓게 만들 수 있으며, 좁은 평면보다 낮은 DC 저항을 가지므로 열을 덜 발산합니다.
• 더 큰 열 전달: PCB의 전력 평면은 맨 기판에 비해 뜨거운 부품으로부터 더 많은 열을 전달할 수 있습니다.

AC 및 EMI 이유로, 물리적으로 더 큰 평면은 고속 보드에서 해독을 위한 더 큰 평면 간 전기 용량을 제공하며, EMI에 대한 일부 격리를 제공하기 때문에 바람직합니다. 그러나 많은 전력 시스템에서 PCB 전력 평면의 주요 업무가 보드 주변에 높은 전류를 운반하는 것이므로, 설계를 시작하는 첫 번째 단계는 평면이 너무 뜨겁지 않게 최대 전류를 운반할 수 있는지 결정하는 것입니다.

전력 평면 전류 용량 계산

전력 평면의 전류 용량을 계산하기 시작하는 가장 좋은 방법은 IPC 2221 표준을 사용하는 것입니다. 고전압 설계의 경우, 이 표준은 여러 설계 신뢰성 측면을 다루지만 관련 IPC 2152 표준보다 덜 보수적이라고 합니다. 이 계산을 통해 주어진 평면 크기와 전류에 대해 예상할 수 있는 온도 상승을 알 수 있거나, 주어진 온도와 전류에 대한 평면 크기를 결정하는 데 사용할 수 있습니다. 인터넷에서 찾을 수 있는 대부분의 계산기는 후자의 접근 방식을 취합니다. 이 계산에 입력되는 값은 다음과 같습니다:

• 외부 주변 온도에서 허용되는 최대 온도 상승(10-20 °C가 일반적인 선택입니다)
• 전력 평면의 구리 무게
• 필요한 전류(암페어 단위)

먼저, 원하는 전류와 온도 상승 값을 사용하여 최소 필요 면적을 계산합니다:

다음으로, 구리 무게를 사용하여 면적에서 평면의 단면 너비를 계산합니다. 1 oz./sq. ft. 무게의 구리 평면의 두께는 0.35 mm이므로, 이를 사용하여 평면의 범위를 계산할 수 있습니다. 최고의 설계 도구는 후배치 시뮬레이터를 사용하여 전류와 온도가 너무 높은 영역을 파악할 수 있도록 결과를 평가하는 데 도움을 줄 것입니다.

원하신다면, 허용 온도 상승에 대한 전류 한계를 얻기 위해 이를 전환할 수 있습니다. 먼저, 위의 방정식을 전류에 대해 풀어야 합니다. 다음으로, 평면의 단면적과 지정된 온도 상승을 가져와 해결된 방정식에 대입합니다. 이제 전원 평면에 대한 최대 전류 한계를 얻게 됩니다.

더 높은 온도나 전류 설계하기

보드에서 극단적인 열 발산이 필요한 경우, 예를 들어 전력 시스템이나 자동차 시스템에서는 세라믹이나 금속 코어 기판과 같은 옵션이 있습니다. 이러한 기판은 보드에서 더 많은 열을 발산시켜 운영 중에 시스템이 더 낮은 정상 상태 온도에서 유지될 것으로 기대할 수 있습니다. 보드가 배치될 위치에 따라 시스템에서 냉각 팬이나 방열판을 제거할 수도 있습니다.

다른 간단한 옵션은 여러 층에 걸쳐 다중 전력 평면을 사용하는 것입니다. 최근 제 프로젝트에서의 예를 들자면, 우리는 최대 100A를 두 개의 핫-스왑 가능한 전원 공급 장치에서 다양한 커넥터를 통해 여러 딸 보드로 전달해야 하는 6U 백플레인을 제작했습니다. 이러한 보드는 이미 상당히 큰 편이지만, 보드의 한 영역에서 평면 부분은 보드의 온도를 받아들일 수 없는 수준으로 증가시키지 않고서는 약 20A만을 전달할 수 있었습니다. 해결책은 무엇이었을까요? 다른 층에 여러 전력 평면을 사용하는 것입니다! 병렬로 전력 평면을 운영하는 것은 더 두꺼운 구리를 사용하는 것과 동등하며, PCB 전력 평면의 총 전류 용량을 증가시킬 것입니다.

아래에 비슷한 예가 보여지는데, 여기서는 두 개의 전력 평면이 다른 전압에서 고전류를 전달하는 데 사용됩니다. 저전압/저전류 평면은 버건디 색으로, 고전압/고전류 평면은 녹색으로 표시됩니다. 전력 분배 설계를 창의적으로 하면, 다른 평면 사이에서 전류를 분할하여 어떤 단일 평면의 온도가 너무 높아지는 것을 방지할 수 있습니다.

전력 평면의 전류 용량을 결정한 후에는 PDNA 도구를 사용한 DC 시뮬레이션에서 DC 전류 분포를 검토할 수 있습니다. Mark Harris는 이러한 기사에서 두 가지 훌륭한 튜토리얼을 제공합니다:

• 구리 전류 밀도 시뮬레이션, 간단하고 빠른 방법
• 모터 드라이버 PCB에서 PDN Analyzer 빠른 시작

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