Cách Tính Toán Khả Năng Chịu Dòng của Mặt Phẳng Nguồn PCB

Các mặt phẳng nguồn là một phần không thể thiếu của PCB của bạn, nhưng chúng nên có kích thước như thế nào, và một mặt phẳng lớn có thể chịu dòng điện lớn đến mức nào một cách thoải mái? Sự thật là người thiết kế có một số linh hoạt để điều chỉnh các ràng buộc của họ để phù hợp với dòng điện lớn hơn trong các mặt phẳng nguồn PCB của họ, nhưng kích thước mặt phẳng nguồn sẽ giới hạn khả năng chịu dòng điện tối đa của mặt phẳng nguồn PCB. Khi bạn cần đảm bảo độ tin cậy cao, các tiêu chuẩn IPC là một nơi tốt để bắt đầu kích thước mặt phẳng nguồn của bạn để đảm bảo bo mạch của bạn luôn mát.

Hiểu về Khả năng Chịu Dòng của Mặt Phẳng Nguồn PCB

Mặt phẳng nguồn và mặt phẳng đất phục vụ nhiều mục đích trong PCB của bạn ngoài việc chỉ chuyển dòng điện đến và đi từ các linh kiện. Chúng là một phần không thể thiếu của tính toàn vẹn nguồn DC và AC, và chúng thường yêu cầu sự chú ý đến chi tiết như phần còn lại của bố cục PCB của bạn.

Vì tất cả các dẫn điện đều có một số điện trở DC, chúng sẽ tiêu hao một số năng lượng dưới dạng nhiệt khi chúng chuyển dòng điện. Giống như bất kỳ dẫn điện nào khác, kích thước của một mặt phẳng đồng sẽ xác định điện trở DC của nó, điều này sẽ xác định lượng năng lượng được tiêu hao dưới dạng nhiệt trong mặt phẳng nguồn. Giống như khi cố gắng xác định chiều rộng đường dẫn tối thiểu, có một kích thước mặt phẳng nguồn tối thiểu cho một dòng điện DC yêu cầu nhất định, hoặc một khả năng chịu dòng điện tối đa của mặt phẳng nguồn PCB cho một kích thước mặt phẳng nhất định.

Tại sao sử dụng các mặt phẳng lớn?

Xét từ góc độ điện trở DC và sự tiêu hao công suất, có hai lý do để sử dụng các mặt phẳng nguồn lớn hơn:

• Điện trở DC thấp hơn: Các mặt phẳng nguồn có kích thước lớn hơn có thể được làm rộng hơn và sẽ có điện trở DC thấp hơn so với một mặt phẳng hẹp, vì vậy chúng tiêu hao ít nhiệt hơn.
• Khả năng truyền nhiệt lớn hơn: Các mặt phẳng nguồn trên một PCB có thể truyền nhiệt đi xa hơn từ các thành phần nóng so với lớp nền trần. 

Đối với các lý do liên quan đến AC và EMI, các mặt phẳng có kích thước lớn hơn cũng được mong muốn vì chúng cung cấp dung lượng điện môi giữa các mặt phẳng lớn hơn cho việc giảm nhiễu trong các bảng mạch tốc độ cao, và chúng cung cấp một số cách ly cho EMI. Tuy nhiên, vì công việc chính của một mặt phẳng nguồn PCB trong nhiều hệ thống nguồn là để truyền dòng điện cao xung quanh bảng mạch, nơi đầu tiên để bắt đầu thiết kế là xác định dòng điện tối đa mà mặt phẳng của bạn có thể chịu được mà không bị quá nóng.

Tính toán Khả năng Chịu Dòng của Mặt Phẳng Nguồn

Nơi tốt nhất để bắt đầu tính toán khả năng chịu dòng của mặt phẳng nguồn là sử dụng tiêu chuẩn IPC 2221. Đối với thiết kế điện áp cao, tiêu chuẩn này bao gồm nhiều khía cạnh độ tin cậy thiết kế nhưng được cho là ít bảo thủ hơn so với tiêu chuẩn IPC 2152 liên quan. Phép tính này sẽ cho bạn biết sự tăng nhiệt độ mà bạn có thể mong đợi cho một kích thước mặt phẳng và dòng điện nhất định, hoặc nó có thể được sử dụng để xác định kích thước mặt phẳng cho một nhiệt độ và dòng điện nhất định. Hầu hết các máy tính bạn tìm thấy trên internet sẽ áp dụng cách tiếp cận sau. Các đầu vào cho phép tính này là:

• Nhiệt độ tăng tối đa cho phép từ nhiệt độ môi trường bên ngoài (10-20 °C là lựa chọn phổ biến)
• Trọng lượng đồng của mặt phẳng nguồn
• Dòng điện yêu cầu (tính bằng Amp)

Đầu tiên, tính toán diện tích tối thiểu yêu cầu sử dụng dòng điện và giá trị tăng nhiệt độ mong muốn của bạn:

Tiếp theo, tính toán chiều rộng mặt cắt của mặt phẳng từ diện tích sử dụng trọng lượng đồng. Độ dày của một mặt phẳng đồng với trọng lượng 1 oz./sq. ft. là 0.35 mm, vì vậy bạn có thể sử dụng điều này để tính toán phạm vi của mặt phẳng của bạn. Các công cụ thiết kế tốt nhất sẽ giúp bạn đánh giá kết quả của mình với một bộ mô phỏng sau bố trí để phát hiện các khu vực mà dòng điện và nhiệt độ quá cao.

Nếu bạn muốn, bạn có thể đảo ngược quy trình này để xác định giới hạn dòng điện cho mức tăng nhiệt độ cho phép của bạn. Đầu tiên, bạn cần giải phương trình trên cho dòng điện. Tiếp theo, lấy diện tích mặt cắt của mặt phẳng của bạn và mức tăng nhiệt độ đã chỉ định, sau đó thay số này vào phương trình đã giải. Bây giờ bạn có giới hạn dòng điện tối đa cho mặt phẳng nguồn của mình.

Thiết kế cho Nhiệt độ hoặc Dòng điện Cao hơn

Nếu bạn cần tản nhiệt cực độ khỏi bảng mạch của mình, như trong một hệ thống nguồn hoặc hệ thống ô tô, một gốm hoặc nền kim loại là một số lựa chọn. Các nền tảng này sẽ tản nhiệt nhiều hơn khỏi bảng mạch, vì vậy bạn có thể mong đợi hệ thống của mình duy trì ở một nhiệt độ ổn định thấp hơn trong quá trình hoạt động. Bạn có thể loại bỏ quạt làm mát hoặc tản nhiệt khỏi hệ thống, tùy thuộc vào vị trí triển khai bảng mạch.

Một lựa chọn đơn giản khác là sử dụng nhiều mặt phẳng nguồn trên nhiều lớp. Ví dụ từ một dự án gần đây của tôi, chúng tôi đã thực hiện một backplane 6U cần truyền tải đến 100 A từ một cặp nguồn điện có thể thay đổi nóng đến nhiều daughterboards trên các kết nối khác nhau. Một tấm mạch như vậy đã khá lớn, nhưng các phần mặt phẳng trong một khu vực của tấm mạch chỉ có thể truyền tải ~20 A mà không làm tăng nhiệt độ của tấm mạch lên mức không chấp nhận được. Giải pháp? Sử dụng nhiều mặt phẳng nguồn trên các lớp khác nhau! Chạy các mặt phẳng nguồn song song tương đương với việc sử dụng đồng dày hơn và sẽ tăng tổng khả năng chịu dòng điện của mặt phẳng nguồn PCB của bạn.

Một ví dụ tương tự được hiển thị bên dưới, nơi hai mặt phẳng nguồn ở các điện áp khác nhau được sử dụng để truyền tải dòng điện cao. Mặt phẳng điện áp thấp/dòng điện thấp được hiển thị bằng màu burgundy, và mặt phẳng điện áp cao/dòng điện cao được hiển thị bằng màu xanh lá. Nếu bạn sáng tạo với thiết kế phân phối nguồn của mình, bạn có thể chia dòng điện giữa các mặt phẳng khác nhau để giúp giữ nhiệt độ của bất kỳ mặt phẳng nào không tăng cao.

Sau khi bạn xác định được khả năng chịu dòng điện của mặt phẳng nguồn, bạn có thể xem xét phân phối dòng điện DC trong một mô phỏng DC với công cụ PDNA. Mark Harris cung cấp hai hướng dẫn tuyệt vời trong các bài viết này:

• Mật độ dòng điện đồng cho mô phỏng, Cách nhanh và dễ dàng
• Hướng dẫn nhanh về PDN Analyzer trên PCB điều khiển động cơ

Nếu bạn đang thiết kế điện tử công suất và muốn đảm bảo độ tin cậy trong hệ thống tiếp theo của mình, hãy sử dụng bộ công cụ đầy đủ về thiết kế và bố trí PCB trong Altium Designer® cho thiết kế tiếp theo của bạn. Trình chỉnh sửa Quy tắc Thiết kế được nâng cấp trong phiên bản mới nhất của Altium Designer cho phép bạn định nghĩa các tiêu chuẩn IPC làm quy tắc thiết kế của mình và giúp bạn tạo ra một bố trí có thể sản xuất được. Bạn cũng có thể sử dụng các công cụ thiết kế điện áp cao và tiện ích mở rộng PDN Analyzer để đảm bảo bạn không vượt quá khả năng chịu tải dòng điện của mặt phẳng nguồn PCB khi bạn tạo bố trí PCB của mình.
 
Khi bạn hoàn thành thiết kế và muốn chia sẻ dự án của mình, nền tảng Altium 365™ giúp việc hợp tác với các nhà thiết kế khác trở nên dễ dàng. Chúng ta mới chỉ khám phá bề mặt của những gì có thể thực hiện với Altium Designer trên Altium 365. Bạn có thể kiểm tra trang sản phẩm để biết mô tả tính năng sâu hơn hoặc một trong những Webinar Theo Yêu Cầu.

Công thức tính diện tích mặt cắt ngang của mặt phẳng nguồn từ IPC 2221.