Mật độ dòng điện đồng cho các mô phỏng, Sử dụng các quy tắc thiết kế PCB nhanh và gọn

Trong bài viết trước của tôi, PDN Analyzer Quick Start trên một PCB Điều khiển Động cơ, MattPVD đã đặt câu hỏi, “Làm thế nào để xác định mật độ dòng điện chấp nhận được?” Tôi phải thừa nhận, tôi đã dành rất nhiều thời gian để cố gắng trả lời chính xác câu hỏi này khi tôi lần đầu tiên tạo mô phỏng cho bảng mạch. Mật độ dòng điện nào là chấp nhận được? IPC có hướng dẫn ẩn trong các tài liệu của họ, nhưng bạn phải trả tiền để truy cập những tài liệu đó, điều này có nghĩa là không phải lời khuyên nào cũng có thể sử dụng được.

Trong suy nghĩ của tôi, mật độ dòng điện của một đường dẫn chủ yếu liên quan đến ràng buộc nhiệt. Điều này hoàn toàn giống như trong một mạch tích hợp dòng điện cao; yếu tố hạn chế phổ biến nhất sẽ là nó sẽ nóng lên như thế nào với sự phân tán nhiệt và tải đặt lên nó. Điều này sẽ hoàn toàn phụ thuộc vào cách triển khai cụ thể của bảng mạch, vì vậy thật không may, tôi không nghĩ rằng một quy tắc cứng nhắc hay một bộ hướng dẫn sẽ là tối ưu cho bất kỳ thiết kế nào.

Thay vì tập trung vào các hướng dẫn cụ thể, tôi muốn chia sẻ cách tôi áp dụng các quy tắc thiết kế PCB thực tế để ước lượng mật độ dòng điện đồng hợp lý cho một thiết kế nhất định. Mặc dù các công cụ mô phỏng nhiệt như Ansys IcePak có thể cung cấp cái nhìn chính xác, việc sử dụng các công cụ như PDN Analyzer cung cấp một cách hiệu quả để đánh giá xem thiết kế của bạn có đang đi đúng hướng trước khi cam kết với việc kiểm tra thực tế hoặc sử dụng các công cụ mô phỏng đắt tiền hơn không. Cách tiếp cận này giúp xác nhận hướng đi thiết kế của bạn, đặc biệt là khi bạn đang đẩy giới hạn hiệu suất.

Tại sao Mật độ Dòng điện lại Quan trọng?

Một máy tính mật độ dòng điện giúp xác định lượng nhiệt sinh ra trong các đường dẫn đồng. Các khu vực đồng nhỏ hơn dẫn đến điện trở cao hơn, gây ra sự giảm điện áp và nhiệt độ tăng lên khi dòng điện tăng. Việc tính toán mật độ dòng điện một cách chính xác là thiết yếu để quản lý nhiệt trong thiết kế PCB của bạn và đảm bảo hiệu suất đáng tin cậy.

Nếu đường dẫn của bạn quá nóng, nó có thể:

• Làm bong lớp bảng mạch (gây hỏng lớp nền)
• Tách ra khỏi bảng mạch (lỏng lẻo)
• Gây ra tình trạng ngừng hoạt động nhiệt của các bộ phận lân cận trên cùng một dẫn đồng
• Làm chảy/đứt đường dẫn
• Giảm đáng kể tuổi thọ của các linh kiện trên bảng mạch

Không có kết quả nào trong số này là mong muốn, vì vậy chúng ta muốn đảm bảo mật độ dòng điện trên bảng mạch của chúng ta sẽ nằm trong các giới hạn hợp lý.

Làm thế nào chúng ta có thể xác định mật độ dòng điện tối đa của đồng?

Có lẽ có những cách tốt hơn để xác định mật độ dòng điện so với cách này. Tuy nhiên, nếu bạn chỉ đang kiểm tra tính hợp lý của thiết kế của mình, điều này sẽ cung cấp cho bạn một giá trị đủ tốt để làm việc.

Nếu bạn biết lượng dòng điện bạn cần dẫn qua đồng trên PCB của mình, nhiệt độ môi trường tối đa có thể sẽ là bao nhiêu, và nhiệt độ tối đa mà đường dẫn của bạn có thể đạt được, bạn có thể sử dụng các công thức từ IPC-2221 để tính toán chiều rộng đường dẫn phù hợp. Ah, tôi nghe bạn nói, “Điểm mấu chốt của việc này là vì chúng ta không có quyền truy cập vào tài liệu IPC à?” May mắn thay, nhiều máy tính trực tuyến về chiều rộng đường dẫn đã có những công thức này!

Tôi đang sử dụng máy tính trên trang web của Advanced Circuits website, và vì tôi không ở tại Mỹ, Liberia, hoặc Myanmar, tôi sẽ sử dụng đơn vị mét cho những tính toán này. Bạn có thể sử dụng bất kỳ đơn vị nào làm bạn hạnh phúc nhất.

Đối với ví dụ này, tôi sẽ nói rằng chúng ta cần chạy 30A trên PCB, trên một lớp ngoài. Ràng buộc lớp ngoài này quan trọng vì 2 lý do:

1. Nhiều nhà sản xuất PCB sử dụng mật độ dòng điện bằng đồng mỏng hơn trên các lớp nội bộ,
2. Các lớp nội bộ được cách điện bởi PCB, và do đó sẽ không làm mát hiệu quả như các lớp ngoại vi. 

Tôi muốn mô phỏng tấm mạch này trong PDN Analyzer, nhưng để sử dụng các kiểm tra dòng điện mà phần mềm cung cấp, tôi cần phải biết trước mật độ dòng điện. Tôi dự đoán tấm mạch của mình sẽ được sử dụng ở nhiệt độ dịch vụ tối đa là 45°C. Bạn nên xem xét nhiệt độ bên trong vỏ máy của bạn sẽ nóng như thế nào nếu bạn đang sử dụng một cái, và bạn cũng nên tính đến khí hậu của các quốc gia khác nhau nơi tấm mạch của bạn có thể được sử dụng. Tôi muốn nhiệt độ tối đa của mình giữ ở dưới 130°C, đó là nhiệt độ chuyển pha kính (Tg) của tấm mạch của tôi. Nhiệt độ chuyển pha kính là điểm mà tấm mạch của bạn bắt đầu trở nên mềm và sẽ dễ bị tách lớp hoặc hỏng hơn. Tôi cũng sẽ sử dụng mật độ dòng điện bằng đồng dày tiêu chuẩn 35μm, nhưng nếu tấm mạch của bạn yêu cầu, bạn có thể nhận được mật độ dòng điện bằng đồng nặng hơn/dày hơn và tấm mạch Tg cao hơn từ hầu hết các nhà cung cấp như các lựa chọn tiêu chuẩn.

Với bộ dữ liệu này, tôi sẽ tính toán chiều rộng dấu vết tối thiểu tuyệt đối mà tôi có thể sử dụng. Sử dụng chiều rộng dấu vết này có thể dẫn đến tuổi thọ ngắn cho PCB, và sẽ khiến sản phẩm của bạn thất bại theo những cách thú vị và sáng tạo khi hoạt động.

Sau đó, chúng ta có thể sử dụng chiều rộng dấu vết tối thiểu này để tính toán giới hạn trên tuyệt đối của mật độ dòng điện mà chúng ta muốn trên bảng mạch. Chỉ cần nhân chiều rộng dấu vết với độ dày của bảng mạch. Vì bài viết này nói về quy tắc thiết kế PCB nhanh và bẩn, chúng ta sẽ chỉ sử dụng Google Calculator để thực hiện phép tính để không phải lo lắng về việc chuyển đổi đơn vị.

Chỉ cần tìm kiếm (8.93mm*35um) thành mm2 trên Google.

Bây giờ chúng ta biết rằng chúng ta cần 0.31255mm2 diện tích đồng để dẫn 35A nếu chúng ta muốn làm nóng bảng mạch lên đến nhiệt độ chuyển giao kính của nó. Tuy nhiên, điều chúng ta cần cho PDN Analyzer là mật độ dòng điện theo amps/mm2. Do đó, chúng ta chỉ cần chia dòng điện chúng ta giả định cho diện tích chúng ta đã tính—vậy là 35/0.31255—để có được 111.98A/mm2.

Đương nhiên, đây là giới hạn tuyệt đối của chúng tôi, và thiết kế của chúng tôi sẽ thật điên rồ nếu sử dụng nó. Nếu thiết kế của bạn có bất cứ điều gì vượt quá giới hạn dòng điện bạn tính toán ở đây, có lẽ nó cần được chỉnh sửa một chút.

Làm Thế Nào Chúng Ta Có Thể Xác Định Mật Độ Dòng Điện Hợp Lý?

Nếu chúng ta muốn sản phẩm tồn tại lâu dài, chúng ta cũng cần phải xác định mật độ dòng điện của đồng mà chúng ta muốn phần lớn bảng mạch đáp ứng. Một số khu vực vượt quá mật độ dòng điện này có thể sẽ ổn, đặc biệt nếu chúng được bao quanh bởi nhiều khu vực có mật độ dòng điện thấp hơn. Hãy nhớ rằng đồng là một chất dẫn nhiệt cũng như dòng điện rất tốt, vì vậy một phần nhỏ có mật độ dòng điện cao có thể nóng lên, nhưng nó cũng có thể dẫn nhiệt đó ra xa đến các lớp đồng lân cận. Tôi sẽ hài lòng nếu phần thu hẹp của một đường dẫn đi vào một IC, chẳng hạn, có mật độ dòng điện cao hơn so với chúng ta tính toán ở đây, miễn là phần còn lại của đường dẫn là hợp lý.

Sử dụng cùng một phương pháp mà chúng ta đã dùng trước đây để tính toán độ rộng dấu vết, chúng ta có thể tính toán mật độ dòng điện mong muốn của đồng chỉ bằng cách thay đổi nhiệt độ tăng tối đa thành một cái gì đó hợp lý hơn. Tôi sẽ cố gắng giữ tất cả các dấu vết của mình dưới 65°C, nó nghe có vẻ như là một nhiệt độ tốt và nên giữ cho các IC được kết nối không bị quá nóng. Với nhiệt độ môi trường là 45°C, điều này chỉ để lại cho tôi một sự tăng nhiệt độ cho phép là 20°C thay vì 85°C mà chúng tôi ban đầu đã tính toán!

Đó là nhiều đồng hơn! Tổng diện tích giờ đây là 0.7525 mm2, mang lại cho chúng ta một mật độ 46.5A/mm2 hợp lý hơn để sử dụng cho mục đích mô phỏng.

Một Lời Khuyên về Mô Phỏng

Những con số này sẽ thay đổi, tùy thuộc vào nhu cầu cụ thể của dự án của bạn. Đừng chỉ sử dụng những con số của tôi, vì chúng có thể không phù hợp với thiết kế cụ thể của bạn.

Hầu hết mọi người xung quanh bạn sẽ cảm thấy 55°C là quá nóng khi chạm vào! Đó là mức nhiệt độ quá khó chịu để họ có thể giữ da của mình tiếp xúc với nó. Nếu bạn thường xuyên hàn, có lẽ bạn sẽ có ngưỡng chịu đựng cao hơn nhiều đối với việc cảm thấy một thứ gì đó quá nóng. Điều này đáng được nhắc đến bởi vì nếu sản phẩm của bạn có khu vực dẫn điện bạn đang thiết kế tiếp xúc với da người, bạn có thể muốn xem xét giữ nhiệt độ của đường dẫn dưới 55°C để người dùng không phàn nàn rằng họ bị bỏng bởi sản phẩm của bạn.

Nếu bạn có những khu vực lớn trên bảng mạch của mình chỉ vừa đủ đạt yêu cầu về mật độ dòng điện, rất có thể nó sẽ bị quá nhiệt. Bạn cần phải đưa ra quyết định về sự cân bằng nào giữa các khu vực nóng và mát trên bảng mạch của mình là phù hợp. Nếu bạn mô phỏng một bảng mạch có 30% diện tích của nó được phủ bởi một đường dẫn sẽ đạt 60°C dưới tải, ở nhiệt độ môi trường 25°C, chính bảng mạch của bạn có thể sẽ gần chạm mức 50°C tổng thể với tải đó—vì vậy nhiệt độ môi trường của bạn có thể cần được xem xét lại.

Nếu bạn có tụ điện hóa học kết nối với khu vực đồng mà bạn sẽ có nhiệt độ cao hơn, bạn có thể muốn kiểm tra bảng dữ liệu của chúng để biết nhiệt độ tối đa hoạt động, hoặc giảm tuổi thọ tại nhiệt độ. Một tụ điện nhôm giá rẻ có thể tồn tại hàng năm ở nhiệt độ môi trường nhưng chỉ có thể sống sót ít nhất 500 giờ ở 85°C. Đó là chưa đến một tháng, và khách hàng/người dùng của bạn có lẽ mong đợi thiết bị của họ kéo dài hơn thế.

Nếu bạn cảm thấy mình thực sự đang đẩy giới hạn với mô phỏng của mình, bạn nên thực hiện đánh giá kỹ lưỡng hơn về thiết kế của mình trong Ansys IcePak hoặc thực hiện thử nghiệm thực tế rộng rãi. Một máy ảnh nhiệt và một lon sơn phun màu đen rẻ hơn IcePak, nhưng trong thử nghiệm thực tế, có thể khó mô phỏng đa dạng điều kiện mà không cần đến các buồng môi trường đắt tiền. Kim loại phản xạ bước sóng nhiệt, vì vậy để có được kết quả đọc chính xác, phun sơn toàn bộ bảng mạch của bạn bằng sơn phun màu đen trước khi kiểm tra nó với máy ảnh nhiệt.

Kết luận

Cách tôi tính toán mật độ dòng điện chấp nhận được có thể không tuân theo một số quy tắc thiết kế PCB khá "lỏng lẻo", nhưng nó nên cho bạn một ý tưởng liệu thiết kế của bạn có đang đi đúng hướng hay không. Hậu quả về nhiệt của các dấu vết dòng điện/nhiệt độ cao có thể ảnh hưởng rộng rãi đến toàn bộ bảng mạch của bạn và cần được xem xét. Do đó, tôi không khuyến nghị tìm kiếm một tiêu chuẩn vàng về mật độ dòng điện để giữ dưới mức cho tất cả các PCB của bạn. 

Nếu bạn đang thiết kế các bảng mạch công suất cao, mật độ dòng điện chấp nhận được của bạn có thể cao hơn nhiều so với một mạng lưới phân phối điện dùng cho vi điều khiển hoặc thiết bị logic.

Bố cục cụ thể của thiết bị, môi trường hoạt động và các lựa chọn vỏ bọc sẽ ảnh hưởng đáng kể đến mật độ dòng điện chấp nhận được cho thiết kế của bạn. Tôi hy vọng hướng dẫn này sẽ giúp bạn xác định được giới hạn chấp nhận được, để bạn có thể sử dụng công cụ như PDN Analyzer để kiểm tra sơ bộ thiết kế của mình trước khi chế tạo mẫu.