Como Calcular a Capacidade de Corrente do Plano de Potência de um PCB

Planos de alimentação são uma parte integral da sua PCB, mas qual deve ser o tamanho deles, e qual corrente um plano grande pode transportar confortavelmente? A verdade é que o designer tem alguma flexibilidade para ajustar suas restrições para acomodar correntes maiores em seus planos de alimentação da PCB, mas o tamanho do plano de alimentação limitará a capacidade máxima de corrente do plano de alimentação da PCB. Quando você precisa garantir alta confiabilidade, os padrões IPC são um bom ponto de partida para dimensionar seu plano de alimentação para garantir que sua placa permaneça fria.

Entendendo a Capacidade de Corrente do Plano de Alimentação da PCB

Planos de alimentação e terra servem a múltiplos propósitos na sua PCB além de apenas transportar corrente para e dos componentes. Eles são uma parte integral da integridade de energia DC e AC, e muitas vezes requerem a mesma atenção aos detalhes que o restante do layout da sua PCB.

Uma vez que todos os condutores têm alguma resistência DC, eles dissiparão alguma energia como calor quando transportam alguma corrente. Assim como qualquer outro condutor, o tamanho de um plano de cobre determinará sua resistência DC, que determinará quanto poder é dissipado como calor no plano de alimentação. Assim como ao tentar determinar larguras mínimas de trilhas, existe um tamanho mínimo de plano de alimentação para uma corrente DC requerida, ou uma capacidade máxima de corrente do plano de alimentação da PCB para um dado tamanho de plano.

Por Que Usar Planos Grandes?

Do ponto de vista da resistência DC e dissipação de energia, existem duas razões para usar planos de alimentação maiores:

• Menor resistência DC: Planos de alimentação fisicamente maiores podem ser feitos mais largos e terão menor resistência DC do que um plano estreito, então eles dissipam menos calor.
• Maior transferência de calor: Planos de alimentação em uma PCB podem transferir mais calor para longe de componentes quentes comparados ao substrato nu. 

Por razões de AC e EMI, planos fisicamente maiores também são desejáveis, pois eles fornecem maior capacitância interplana para desacoplamento em placas de alta velocidade, e eles fornecem alguma isolamento para EMI. No entanto, uma vez que o trabalho principal de um plano de alimentação de PCB em muitos sistemas de energia é transportar alta corrente pela placa, o primeiro passo para começar a projetar é determinar a capacidade máxima de corrente que seu plano pode transportar sem ficar muito quente.

Cálculo da Capacidade de Corrente do Plano de Alimentação

O melhor lugar para começar a calcular a capacidade de corrente do seu plano de alimentação é usar a norma IPC 2221. Para projetos de alta tensão, esta norma abrange múltiplos aspectos de confiabilidade de design, mas diz-se ser menos conservadora que a norma IPC 2152 relacionada. Este cálculo informará o aumento de temperatura que você pode esperar para um determinado tamanho de plano e corrente, ou pode ser usado para determinar o tamanho do plano para uma dada temperatura e corrente. A maioria dos calculadores que você encontrará na internet adotará a última abordagem. As entradas para este cálculo são:

• A máxima elevação de temperatura permitida a partir da temperatura ambiente externa (10-20 °C é uma escolha comum)
• O peso do cobre do plano de alimentação
• A corrente necessária (em Ampères)

Primeiro, calcule a área mínima necessária usando os valores desejados de corrente e aumento de temperatura:

Em seguida, calcule a largura da seção transversal do plano a partir da área, usando o peso do cobre. A espessura de um plano de cobre com peso de 1 oz./sq. ft. é de 0,35 mm, então você pode usar isso para calcular a extensão do seu plano. As melhores ferramentas de design ajudarão você a avaliar seus resultados com um simulador pós-layout para identificar áreas onde a corrente e a temperatura estão muito altas.

Se desejar, você pode inverter isso para obter um limite de corrente para o aumento de temperatura permitido. Primeiro, você precisará resolver a equação acima para a corrente. Em seguida, pegue a área transversal do seu plano e o aumento de temperatura especificado, e insira esses dados na sua equação resolvida. Agora você tem o limite máximo de corrente para o seu plano de energia.

Projetando para Temperaturas ou Correntes Mais Altas

Se você precisa de uma dissipação de calor extrema longe da sua placa, como em um sistema de energia ou um sistema automotivo, um substrato de cerâmica ou de núcleo metálico são algumas opções. Esses substratos dissiparão mais calor longe da placa, então você pode esperar que seu sistema mantenha uma temperatura estável mais baixa durante a operação. Dependendo de onde a placa será implantada, você poderá remover um ventilador de resfriamento ou dissipador de calor do sistema.

Uma outra opção simples é usar múltiplos planos de alimentação em várias camadas. Como exemplo de um projeto recente meu, fizemos um backplane 6U que precisava transportar até 100 A de um par de fontes de alimentação hot-swappable para várias placas filhas em diferentes conectores. Uma placa desse tipo já é bastante grande, mas as seções dos planos em uma área da placa só podiam transportar ~20 A sem aumentar a temperatura da placa para um nível inaceitável. A solução? Usar múltiplos planos de alimentação em diferentes camadas! Executar planos de alimentação em paralelo é equivalente a usar cobre mais espesso e aumentará sua capacidade total de corrente do plano de alimentação da PCB.

Um exemplo semelhante é mostrado abaixo, onde dois planos de alimentação em diferentes tensões são usados para transportar alta corrente. O plano de baixa tensão/baixa corrente é mostrado em bordô, e o plano de alta tensão/alta corrente é mostrado em verde. Se você for criativo com seu design de distribuição de energia, pode dividir correntes entre diferentes planos para ajudar a manter a temperatura de qualquer plano único de ficar muito alta.

Uma vez que você determinou a capacidade de corrente do plano de alimentação, você pode examinar a distribuição de corrente contínua em uma simulação de CC com uma ferramenta PDNA. Mark Harris fornece dois ótimos tutoriais nestes artigos:

• Densidade de Corrente de Cobre para Simulações, O Método Rápido e Simples
• Início Rápido do Analisador de PDN em uma PCB de Driver de Motor

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