Jak obliczyć zdolność przenoszenia prądu przez płaszczyznę zasilającą PCB

Warstwy zasilające są integralną częścią Twojej płytki PCB, ale jak duże powinny być i jaki prąd może bezpiecznie przewodzić duża płaszczyzna? Prawda jest taka, że projektant ma pewną elastyczność, aby dostosować swoje ograniczenia, aby pomieścić większe prądy w swoich płaszczyznach zasilających PCB, ale rozmiar płaszczyzny zasilającej ograniczy maksymalną pojemność prądową płaszczyzny zasilającej PCB. Kiedy potrzebujesz zapewnić wysoką niezawodność, standardy IPC są dobrym punktem wyjścia do określenia rozmiaru płaszczyzny zasilającej, aby zapewnić chłodzenie płyty.

Rozumienie pojemności prądowej płaszczyzny zasilającej PCB

Płaszczyzny zasilania i masy pełnią wiele funkcji w Twojej płytce PCB, nie tylko przenoszą prąd do i od komponentów. Są integralną częścią integralności zasilania DC i AC, i często wymagają takiej samej uwagi do szczegółów, jak reszta układu PCB.

Ponieważ wszystkie przewodniki mają pewną oporność DC, będą rozpraszać pewną moc jako ciepło, gdy przewodzą prąd. Podobnie jak w przypadku każdego innego przewodnika, rozmiar płaszczyzny miedzianej określi jej oporność DC, która z kolei określi, ile mocy jest rozpraszane jako ciepło w płaszczyźnie zasilającej. Podobnie jak przy próbie określenia minimalnych szerokości ścieżek, istnieje minimalny rozmiar płaszczyzny zasilającej dla danego wymaganego prądu DC, lub maksymalna pojemność prądowa płaszczyzny zasilającej PCB dla danej wielkości płaszczyzny.

Dlaczego używać dużych płaszczyzn?

Z perspektywy oporu stałoprądowego i rozpraszania mocy istnieją dwa powody, dla których warto używać większych płaszczyzn zasilających:

• Niższy opór stałoprądowy: Fizycznie większe płaszczyzny zasilające mogą być szersze i będą miały niższy opór stałoprądowy niż wąska płaszczyzna, więc rozpraszają mniej ciepła.
• Większa wymiana ciepła: Płaszczyzny zasilające na PCB mogą odprowadzać więcej ciepła od gorących komponentów w porównaniu do gołego podłoża.

Ze względów AC i EMI, fizycznie większe płaszczyzny są również pożądane, ponieważ zapewniają większą pojemność międzyplanarną dla sprzęgania w szybkich płytach, oraz zapewniają pewną izolację od EMI. Jednakże, ponieważ podstawowym zadaniem płaszczyzny zasilającej PCB w wielu systemach zasilania jest przenoszenie wysokiego prądu po płycie, pierwszym krokiem w projektowaniu jest określenie maksymalnego prądu, jaki Twoja płaszczyzna może przenieść bez nadmiernego nagrzewania się.

Obliczanie zdolności przenoszenia prądu przez płaszczyznę zasilającą

Najlepszym miejscem do rozpoczęcia obliczeń zdolności prądowej płaszczyzny zasilającej jest użycie standardu IPC 2221. Dla projektów wysokiego napięcia, ten standard obejmuje wiele aspektów niezawodności projektu, ale uważa się, że jest mniej konserwatywny niż powiązany standard IPC 2152. Ta kalkulacja powie Ci, jakiego wzrostu temperatury możesz się spodziewać dla danej wielkości płaszczyzny i prądu, lub może być użyta do określenia wielkości płaszczyzny dla danego prądu i temperatury. Większość kalkulatorów, które znajdziesz w internecie, podejmie to drugie podejście. Dane wejściowe do tej kalkulacji to:

• Maksymalny dozwolony wzrost temperatury względem zewnętrznej temperatury otoczenia (10-20 °C to powszechny wybór)
• Masa miedzi płaszczyzny zasilającej
• Wymagany prąd (w amperach)

Najpierw oblicz minimalną wymaganą powierzchnię, używając pożądanych wartości prądu i wzrostu temperatury:

Następnie oblicz szerokość przekroju płaszczyzny z powierzchni, używając masy miedzi. Grubość płaszczyzny miedzianej o masie 1 oz./sq. ft. wynosi 0,35 mm, więc możesz użyć tego do obliczenia rozpiętości twojej płaszczyzny. Najlepsze narzędzia projektowe pomogą Ci ocenić wyniki za pomocą symulatora po układzie, aby zlokalizować obszary, gdzie prąd i temperatura są zbyt wysokie.

Jeśli chcesz, możesz to odwrócić, aby uzyskać limit prądu dla dozwolonego wzrostu temperatury. Najpierw musisz rozwiązać powyższe równanie dla prądu. Następnie weź pole przekroju twojej płaszczyzny i określony wzrost temperatury, i wstaw te dane do rozwiązanego równania. Teraz masz maksymalny limit prądu dla twojej płaszczyzny zasilania.

Projektowanie pod kątem wyższych temperatur lub prądów

Jeśli potrzebujesz ekstremalnego odprowadzania ciepła z dala od twojej płytki, na przykład w systemie zasilania lub systemie samochodowym, ceramiczne lub podłoże z rdzeniem metalowym są niektórymi z opcji. Te podłoża będą odprowadzać więcej ciepła z dala od płytki, więc możesz oczekiwać, że twój system będzie utrzymywał niższą temperaturę stabilną podczas działania. Możesz być w stanie usunąć wentylator chłodzący lub radiator z systemu, w zależności od miejsca, w którym płyta zostanie zastosowana.

Inną prostą opcją jest po prostu użycie wielu płaszczyzn zasilania na wielu warstwach. Jako przykład z mojego niedawnego projektu, wykonaliśmy 6U backplane, który musiał przesyłać do 100 A z pary zasilaczy hot-swappable do wielu płytek córek na różnych złączach. Taka płyta jest już dość duża, ale sekcje płaszczyzn w jednym obszarze płyty mogły przenosić tylko ~20 A bez zwiększania temperatury płyty do nieakceptowalnego poziomu. Rozwiązanie? Użyj wielu płaszczyzn zasilania na różnych warstwach! Uruchomienie płaszczyzn zasilania równolegle jest równoważne użyciu grubszej miedzi i zwiększy całkowitą pojemność prądową płaszczyzny zasilania PCB.

Podobny przykład pokazano poniżej, gdzie dwie płaszczyzny zasilania na różnych napięciach są używane do przenoszenia wysokiego prądu. Płaszczyzna o niskim napięciu/niskim prądzie jest pokazana na burgundowo, a płaszczyzna o wysokim napięciu/wysokim prądzie jest pokazana na zielono. Jeśli jesteś kreatywny w projektowaniu dystrybucji mocy, możesz rozdzielić prądy między różne płaszczyzny, aby pomóc utrzymać temperaturę każdej pojedynczej płaszczyzny na niskim poziomie.

Po ustaleniu pojemności prądowej płaszczyzny zasilania, możesz zbadać rozkład prądu stałego w symulacji prądu stałego za pomocą narzędzia PDNA. Mark Harris dostarcza dwa świetne samouczki w tych artykułach:

• Gęstość prądu miedzi dla symulacji, szybka i prosta metoda
• Szybki start analizatora PDN na PCB sterownika silnika

Jeśli projektujesz elektronikę mocy i chcesz zapewnić niezawodność swojego kolejnego systemu, użyj kompletnego zestawu narzędzi do projektowania i układania PCB w Altium Designer® dla swojego następnego projektu. Ulepszony edytor zasad projektowania w najnowszej wersji Altium Designer pozwala definiować standardy IPC jako zasady projektowania i pomaga stworzyć układ możliwy do wyprodukowania. Możesz również użyć narzędzi do projektowania wysokiego napięcia i rozszerzenia PDN Analyzer, aby upewnić się, że nie przekroczyłeś pojemności prądowej płaszczyzny zasilania PCB podczas tworzenia układu PCB.
 
Gdy zakończysz projektowanie i będziesz chciał podzielić się swoim projektem, platforma Altium 365™ ułatwia współpracę z innymi projektantami. To tylko wierzchołek góry lodowej możliwości, jakie daje Altium Designer na Altium 365. Możesz sprawdzić stronę produktu po bardziej szczegółowy opis funkcji lub jeden z Webinarów na Żądanie.