Gęstość prądu miedzi do symulacji, korzystając z szybkich i prostych zasad projektowania PCB

W moim poprzednim artykule, PDN Analyzer Quick Start na płytce sterownika silnika, MattPVD zadał pytanie: „Jak określić akceptowalną gęstość prądu?” Muszę przyznać, że spędziłem dużo czasu próbując odpowiedzieć na to dokładne pytanie, kiedy po raz pierwszy tworzyłem symulację dla płytki. Jaka gęstość prądu jest akceptowalna? IPC ma wytyczne ukryte w swoich dokumentach, ale trzeba płacić za dostęp do tych dokumentów, co oznacza, że nie są to rady, z których każdy może skorzystać.

Moim zdaniem, gęstość prądu ścieżki sprowadza się głównie do ograniczeń termicznych. Jest to dokładnie to samo, co w przypadku układu scalonego o wysokim prądzie; najczęściej ograniczającym czynnikiem będzie to, jak gorący się stanie przy rozpraszaniu ciepła i obciążeniu na nim. Będzie to całkowicie zależne od konkretnej implementacji płytki, więc niestety nie sądzę, aby sztywna reguła lub zestaw wytycznych był optymalny dla każdej konstrukcji.

Zamiast skupiać się na konkretnych wytycznych, chcę podzielić się tym, jak stosuję praktyczne zasady projektowania PCB, aby oszacować rozsądną gęstość prądu w miedzi dla danego projektu. Chociaż narzędzia do symulacji termicznej, takie jak Ansys IcePak, mogą dostarczyć precyzyjnych wglądów, korzystanie z narzędzi takich jak PDN Analyzer oferuje skuteczny sposób, aby ocenić, czy projekt jest na dobrej drodze, zanim zobowiążemy się do testów w rzeczywistym świecie lub bardziej kosztownych narzędzi symulacyjnych. To podejście pomaga zweryfikować kierunek projektu, szczególnie gdy przesuwasz granice wydajności.

Dlaczego gęstość prądu ma znaczenie?

Kalkulator gęstości prądu pomaga określić ciepło generowane w ścieżkach miedzianych. Mniejsze obszary miedzi skutkują wyższym oporem, prowadząc do zwiększonego spadku napięcia i ciepła w miarę wzrostu prądu. Prawidłowe obliczenie gęstości prądu jest kluczowe dla zarządzania ciepłem w projekcie PCB i zapewnienia niezawodnej wydajności.

Jeśli ścieżka stanie się zbyt gorąca, może to:

• Spowodować delaminację płyty (uszkodzenie substratu)
• Odłączyć się od płyty (poluzować)
• Spowodować termiczne wyłączenie pobliskich części na tym samym przewodniku miedzianym
• Stopić/przerwać ścieżkę
• Znacznie skrócić żywotność komponentów na płycie

Żadne z tych skutków nie są pożądane, więc chcemy upewnić się, że gęstość prądu na naszych płytach będzie w rozsądnych granicach.

Jak możemy określić maksymalną gęstość prądu miedzi?

Istnieją prawdopodobnie lepsze sposoby na określenie gęstości prądu niż ten. Jednakże, jeśli tylko sprawdzasz sensowność swojego projektu, to powinno dać Ci wystarczająco dobry wynik, z którym możesz pracować.

Jeśli wiesz, ile prądu musisz przeprowadzić przez miedź na swojej płytce PCB, jaka jest prawdopodobna maksymalna temperatura otoczenia w warunkach eksploatacji oraz maksymalna temperatura, jaką może osiągnąć Twoja ścieżka, możesz użyć wzorów z IPC-2221, aby obliczyć odpowiednią szerokość ścieżki. Ah, słyszę, jak mówisz: „Czy nie chodzi o to, że nie mamy dostępu do literatury IPC?” Na szczęście, wiele kalkulatorów szerokości ścieżek dostępnych online zawiera te wzory!

Korzystam z kalkulatora na stronie internetowej Advanced Circuits website, i ponieważ nie znajduję się w USA, Liberii ani Mjanmie, będę używać jednostek metrycznych do tych obliczeń. Możesz użyć dowolnych jednostek, które sprawiają Ci najwięcej radości.

W tym przykładzie powiem, że musimy przeprowadzić 30A na PCB, na warstwie zewnętrznej. To ograniczenie dotyczące warstwy zewnętrznej jest ważne z dwóch powodów:

1. Wiele producentów PCB używa cieńszej gęstości prądu miedzi na wewnętrznych warstwach,
2. Warstwy wewnętrzne są izolowane przez PCB, dlatego nie będą się chłodzić tak efektywnie jak warstwy zewnętrzne. 

Chcę zasymulować tę płytę w PDN Analyzer, ale aby użyć dostępnych w oprogramowaniu kontroli prądu, muszę najpierw znać gęstość prądu. Oczekuję, że moja płyta będzie używana przy maksymalnej temperaturze pracy 45°C. Powinieneś wziąć pod uwagę, jak gorąco będzie wewnątrz twojej obudowy, jeśli jej używasz, oraz uwzględnić klimat różnych krajów, w których twoja płyta może być używana. Chcę, aby moja maksymalna temperatura pozostała poniżej 130°C, co jest temperaturą przejścia szklistego (Tg) mojej płyty. Temperatura przejścia szklistego to punkt, powyżej którego twoja płyta zaczyna mięknąć i będzie znacznie bardziej podatna na delaminację lub awarię. Zamierzam również użyć standardowej gęstości prądu miedzi o grubości 35μm, ale jeśli twoja płyta tego wymaga, możesz uzyskać od większości dostawców zarówno cięższą/grubszą gęstość prądu miedzi, jak i płyty o wyższej Tg jako standardowe opcje.

Z tym zestawem danych zamierzam obliczyć absolutne minimum szerokości ścieżki, jakiej mogę użyć. Użycie takiej szerokości ścieżki prawdopodobnie skróci żywotność PCB i spowoduje awarię produktu w interesujący i kreatywny sposób podczas użytkowania.

Możemy następnie użyć tej minimalnej szerokości ścieżki do obliczenia absolutnego górnego limitu gęstości prądu, jakiego chcemy na płytce. Wystarczy pomnożyć szerokość ścieżki przez grubość płytki. Ponieważ ten artykuł dotyczy szybkich i brudnych zasad projektowania PCB, po prostu użyjemy Kalkulatora Google, aby wykonać obliczenie, więc nie musimy martwić się o konwersję jednostek.

Wystarczy wyszukać (8.93mm*35um) na mm2 w Google.

Teraz wiemy, że potrzebujemy 0.31255mm2 powierzchni miedzi, aby przewodzić 35A, jeśli chcemy podgrzać płytę do jej temperatury przejścia szklistego. To, czego potrzebujemy dla PDN Analyzer, to jednak gęstość prądu w amperach/mm2. Dlatego po prostu dzielimy prąd, który założyliśmy, przez obliczoną powierzchnię—czyli 35/0.31255—aby otrzymać 111.98A/mm2.

To jest oczywiście nasza absolutna granica, a nasz projekt byłby szalony, gdyby jej używał. Jeśli twój projekt przekracza obliczony tutaj limit prądu, prawdopodobnie potrzebuje trochę przeróbki.

Jak możemy określić rozsądną gęstość prądu?

Jeśli chcemy, aby produkt przetrwał długo, musimy również ustalić, jaką rozsądną gęstość prądu miedzi chcemy, aby spełniała większość płytki. Niektóre obszary przekraczające tę gęstość prądu prawdopodobnie będą w porządku, szczególnie jeśli są otoczone przez wiele obszarów o niższej gęstości prądu. Pamiętaj, że miedź jest bardzo dobrym przewodnikiem ciepła oraz prądu, więc mały odcinek o wysokiej gęstości prądu może się nagrzać, ale może również przewodzić to ciepło do sąsiednich wylewek miedzi. Byłbym zadowolony, gdyby zwężenie ścieżki wchodzącej do układu scalonego, na przykład, miało wyższą gęstość prądu niż obliczamy tutaj, pod warunkiem, że reszta ścieżki jest rozsądna.

Korzystając z tej samej metody, której użyliśmy wcześniej do obliczenia szerokości ścieżki, możemy obliczyć pożądaną gęstość prądu miedzi, po prostu zmieniając maksymalny wzrost temperatury na coś nieco bardziej sensownego. Zamierzam spróbować utrzymać wszystkie moje ścieżki poniżej 65°C, wydaje się to dobrą temperaturą i powinno zapobiec nadmiernemu nagrzewaniu się podłączonych układów scalonych. Przy temperaturze otoczenia 45°C, pozostawia mi to dopuszczalny wzrost temperatury tylko 20°C, a nie 85°C, które pierwotnie obliczyliśmy!

To znacznie więcej miedzi! Całkowita powierzchnia wynosi teraz 0,7525 mm2, co daje nam o wiele bardziej sensowne 46,5A/mm2 do wykorzystania w celach symulacyjnych.

Kilka rad dotyczących symulacji

Te liczby będą się różnić w zależności od potrzeb konkretnego projektu. Nie korzystaj tylko z moich liczb, ponieważ mogą one nie być odpowiednie dla twojego konkretnego projektu.

Większość ludzi uważa 55°C za paląco gorące, gdy tego dotkną! Jest to dla nich zbyt niekomfortowe, aby trzymać skórę w kontakcie. Jeśli dużo lutowasz, prawdopodobnie masz znacznie wyższy próg tolerancji na to, co uznajesz za zbyt gorące. Warto o tym wspomnieć, ponieważ jeśli projektujesz obszar przewodzący w swoim produkcie, który będzie narażony na dotyk ludzki, możesz rozważyć utrzymanie temperatury ścieżki poniżej 55°C, aby użytkownicy nie skarżyli się, że produkt ich oparza.

Jeśli duże obszary twojej płytki ledwo przekraczają dopuszczalną gęstość prądu, prawdopodobnie dojdzie do przegrzania. Musisz dokonać oceny, jaka równowaga między gorącymi a chłodnymi obszarami twojej płytki jest odpowiednia. Jeśli zasymulujesz płytę, na której 30% powierzchni pokryte jest ścieżką, która pod obciążeniem osiągnie 60°C przy otoczeniu 25°C, cała twoja płyta prawdopodobnie osiągnie około 50°C przy tym obciążeniu - więc może być konieczne przemyślenie temperatury otoczenia.

Jeśli masz podłączone kondensatory elektrolityczne do obszaru miedzi, który będzie miał wyższą temperaturę, warto sprawdzić ich kartę katalogową pod kątem maksymalnej temperatury pracy lub zmniejszenia żywotności przy danej temperaturze. Tani kondensator elektrolityczny z aluminium, który wytrzyma lata w temperaturze otoczenia, może przetrwać tylko około 500 godzin przy 85°C. To mniej niż miesiąc, a Twoi klienci/użytkownicy prawdopodobnie oczekują, że ich urządzenie będzie działać dłużej niż to.

Jeśli masz wrażenie, że naprawdę przesuwasz granice z symulacją, powinieneś przeprowadzić bardziej szczegółową ocenę swojego projektu w Ansys IcePak lub wykonać obszerne testy w rzeczywistych warunkach. Termowizyjna kamera i puszka czarnej farby w sprayu są tańsze niż IcePak, ale w testach w rzeczywistych warunkach może być trudniej symulować różnorodne warunki bez drogich komór klimatycznych. Metale odbijają długości fal termicznych, więc aby uzyskać dokładny odczyt, przed testowaniem pokryj całą płytę czarną farbą w sprayu i użyj kamery termowizyjnej.

Podsumowanie

Moja metoda obliczania akceptowalnej gęstości prądu może nie należeć do najczystszych zasad projektowania PCB, ale powinna dać Ci pojęcie, czy Twój projekt zmierza w dobrym kierunku. Termiczne konsekwencje wysokich prądów/temperatur ścieżek mogą mieć szeroki zakres wpływu na całą płytę obwodu i powinny być brane pod uwagę. Z tego powodu nie polecałbym szukania złotego standardu gęstości prądu, poniżej którego powinieneś się utrzymywać dla wszystkich swoich PCB. 

Jeśli projektujesz płyty o wysokiej mocy, akceptowalna gęstość prądu może być znacznie większa niż dla sieci dystrybucji mocy, która zasila mikrokontrolery lub urządzenia logiczne.

Specyficzny układ Twojego urządzenia, środowisko operacyjne i opcje obudowy będą miały duży wpływ na to, jaka gęstość prądu jest akceptowalna dla Twojego projektu. Mam nadzieję, że ten przewodnik pomoże Ci określić, jaki jest akceptowalny limit, abyś mógł użyć narzędzia takiego jak PDN Analyzer, aby sprawdzić swój projekt przed prototypowaniem.