Как рассчитать токовую способность питающей плоскости печатной платы

Силовые плоскости являются неотъемлемой частью вашей печатной платы, но каковы должны быть их размеры и какой ток может комфортно пропускать большая плоскость? На самом деле у дизайнера есть некоторая гибкость в настройке своих ограничений для размещения больших токов в силовых плоскостях печатной платы, но размер силовой плоскости будет ограничивать максимальную пропускную способность тока силовой плоскости печатной платы. Когда вам нужно обеспечить высокую надежность, стандарты IPC являются хорошим началом для определения размера вашей силовой плоскости, чтобы ваша плата оставалась прохладной.

Понимание пропускной способности тока силовой плоскости печатной платы

Силовые и заземляющие плоскости выполняют несколько функций в вашей печатной плате, помимо простого пропускания тока к компонентам и от них. Они являются неотъемлемой частью целостности постоянного и переменного тока и часто требуют такого же внимания к деталям, как и остальная часть вашей компоновки печатной платы.

Поскольку все проводники имеют некоторое сопротивление постоянному току, они будут рассеивать некоторую мощность в виде тепла, когда по ним протекает ток. Так же, как и любой другой проводник, размер медной плоскости будет определять ее сопротивление постоянному току, которое, в свою очередь, будет определять, сколько мощности будет рассеиваться в виде тепла в силовой плоскости. Так же, как при попытке определить минимальную ширину дорожек, существует минимальный размер силовой плоскости для заданного требуемого тока постоянного тока или максимальная пропускная способность тока силовой плоскости печатной платы для заданного размера плоскости.

Почему использовать большие площадки?

С точки зрения сопротивления постоянному току и рассеивания мощности, есть две причины использовать большие площадки питания:

• Меньшее сопротивление постоянному току: Физически большие площадки питания могут быть сделаны шире и будут иметь меньшее сопротивление постоянному току, чем узкая площадка, поэтому они рассеивают меньше тепла.
• Больший перенос тепла: Площадки питания на печатной плате могут отводить больше тепла от горячих компонентов по сравнению с голым субстратом.

По причинам, связанным с переменным током и ЭМИ, физически большие площадки также желательны, так как они обеспечивают большую межплоскостную емкость для развязки на высокоскоростных платах, и они обеспечивают некоторую изоляцию от ЭМИ. Однако, поскольку основная задача площадки питания печатной платы во многих системах питания заключается в передаче высокого тока по плате, первым шагом в проектировании является определение максимального тока, который ваша площадка может передать без перегрева.

Расчет пропускной способности тока площадки питания

Лучшее место для начала расчета токовой способности вашей силовой плоскости - использование стандарта IPC 2221. Для дизайнов высокого напряжения, этот стандарт охватывает множество аспектов надежности дизайна, но считается менее консервативным, чем связанный стандарт IPC 2152. Этот расчет покажет вам повышение температуры, которое вы можете ожидать для данного размера плоскости и тока, или его можно использовать для определения размера плоскости для заданной температуры и тока. Большинство калькуляторов, которые вы найдете в интернете, будут использовать последний подход. Входные данные для этого расчета:

• Максимально допустимое повышение температуры от внешней окружающей температуры (10-20 °C - обычный выбор)
• Толщина меди силовой плоскости
• Требуемый ток (в Амперах)

Сначала рассчитайте минимально необходимую площадь, используя желаемые значения тока и повышения температуры:

Затем рассчитайте поперечную ширину плоскости из площади, используя толщину меди. Толщина медной плоскости с весом 1 унция/кв. фут составляет 0,35 мм, так что вы можете использовать это для расчета пролета вашей плоскости. Лучшие инструменты проектирования помогут вам оценить ваши результаты с помощью симулятора после размещения, чтобы выявить места, где ток и температура слишком высоки.

Если хотите, вы можете изменить это, чтобы получить ограничение тока для разрешенного повышения температуры. Сначала вам нужно решить вышеуказанное уравнение для тока. Затем возьмите площадь поперечного сечения вашей плоскости и указанное повышение температуры, и подставьте эти данные в ваше решенное уравнение. Теперь у вас есть максимальный предел тока для вашей силовой плоскости.

Проектирование для более высоких температур или токов

Если вам нужен экстремальный отвод тепла от вашей платы, например, в энергосистеме или автомобильной системе, керамическая или металл-керамическая подложка являются некоторыми из вариантов. Эти подложки будут рассеивать больше тепла от платы, так что вы можете ожидать, что ваша система будет работать при более низкой устойчивой рабочей температуре. В зависимости от места размещения платы, вы можете убрать вентилятор охлаждения или радиатор из системы.

Еще один простой вариант - использовать несколько силовых слоев на разных уровнях. Например, в одном из моих недавних проектов мы разрабатывали 6U бэкплейн, который должен был передавать до 100 А от пары горяче заменяемых источников питания к нескольким дочерним платам через разные разъемы. Такая плата уже достаточно большая, но секции плоскостей в одной части платы могли передавать только ~20 А без повышения температуры платы до неприемлемого уровня. Решение? Использовать несколько силовых слоев на разных уровнях! Параллельное использование силовых слоев эквивалентно использованию более толстой меди и увеличит общую пропускную способность тока силовой плоскости вашей печатной платы.

Похожий пример показан ниже, где две силовые плоскости на разных напряжениях используются для передачи высокого тока. Плоскость с низким напряжением/низким током показана бордовым цветом, а плоскость с высоким напряжением/высоким током - зеленым. Если вы будете творчески подходить к проектированию распределения питания, вы можете разделить токи между разными плоскостями, чтобы помочь поддерживать температуру любой отдельной плоскости на низком уровне.

После того, как вы определите пропускную способность тока силовой плоскости, вы можете изучить распределение постоянного тока в симуляции постоянного тока с помощью инструмента PDNA. Марк Харрис предоставляет два отличных учебника в этих статьях:

• Плотность тока меди для симуляций: быстрый и грязный способ
• Быстрый старт анализатора PDN на печатной плате драйвера мотора

Если вы занимаетесь разработкой силовой электроники и хотите обеспечить надежность вашей следующей системы, используйте полный набор инструментов для проектирования и размещения печатных плат в Altium Designer® для вашего следующего проекта. Улучшенный редактор правил проектирования в новейшей версии Altium Designer позволяет вам определять стандарты IPC как правила проектирования и помогает создать производственную компоновку. Вы также можете использовать инструменты для проектирования высоковольтных устройств и расширение PDN Analyzer, чтобы убедиться, что вы не превысили допустимую мощность токоведущих плоскостей вашей печатной платы при создании ее компоновки.
 
Когда вы закончили проектирование и хотите поделиться своим проектом, платформа Altium 365™ упрощает совместную работу с другими конструкторами. Мы только коснулись поверхности того, что возможно сделать с Altium Designer на Altium 365. Вы можете проверить страницу продукта для более подробного описания функций или один из вебинаров по запросу.