如何计算PCB電(diàn)源平面的電(diàn)流容量

2021-01-23

電(diàn)源层是PCB不可(kě)或缺的一部分(fēn)，但電(diàn)源层应有(yǒu)多(duō)大？舒适地承载大電(diàn)流是多(duō)少？事实是设计人员可(kě)以灵活地调整约束以适应PCB電(diàn)源板上更大的電(diàn)流，但是電(diàn)源板的尺寸将限制PCB電(diàn)源板上的最大電(diàn)流容量。当您需要确保高可(kě)靠性时，IPC标准是开始调整電(diàn)源平面尺寸以确保電(diàn)路板保持凉爽的好地方。

了解PCB電(diàn)源平面的電(diàn)流容量

電(diàn)源平面和接地平面在您的PCB中有(yǒu)多(duō)种用(yòng)途，而不仅仅是在组件之间传递電(diàn)流。它们是DC和AC電(diàn)源完整性不可(kě)或缺的一部分(fēn)，并且与其他(tā)PCB布局一样，它们通常同样需要关注细节。

由于所有(yǒu)导體(tǐ)都具有(yǒu)一定的直流電(diàn)阻，因此当它们携带一些電(diàn)流时，会散发一些热量。与其他(tā)导體(tǐ)一样，铜平面的大小(xiǎo)将决定其直流電(diàn)阻，而直流電(diàn)阻将决定在功率平面中作為(wèi)热量散失的功率。就像尝试确定最小(xiǎo)走線(xiàn)宽度时一样，对于给定的所需DC電(diàn)流，存在最小(xiǎo)的電(diàn)源平面大小(xiǎo)，或者对于给定的平面大小(xiǎo)，具有(yǒu)最大的PCB電(diàn)源平面電(diàn)流容量。

為(wèi)什么要使用(yòng)大型飞机？

从直流電(diàn)阻和功耗的角度来看，使用(yòng)较大電(diàn)源平面有(yǒu)两个原因：

更低的直流電(diàn)阻：物(wù)理(lǐ)上较大的電(diàn)源平面可(kě)以做得更宽，并且比狭窄的平面具有(yǒu)更低的直流電(diàn)阻，因此它们散发的热量更少。

更大的热传递：与裸露的基板相比，PCB中的電(diàn)源层可(kě)以将更多(duō)的热量从热的组件中转移出去。 

由于AC和EMI的原因，物(wù)理(lǐ)上较大的平面也是理(lǐ)想的，因為(wèi)它们為(wèi)高速板中的去耦提供了较大的平面间電(diàn)容，并且為(wèi)EMI提供了一定的隔离度。但是，由于在许多(duō)電(diàn)源系统中，PCB電(diàn)源板的主要工作是在電(diàn)路板上承载大電(diàn)流，因此开始设计的第一步是确定您的板在不过热的情况下可(kě)以承载的最大電(diàn)流。

電(diàn)源平面電(diàn)流容量计算

开始计算電(diàn)源平面電(diàn)流容量的最佳位置是使用(yòng)IPC 2221标准。对于高压设计，该标准涵盖了多(duō)个设计可(kě)靠性方面，但据说不如相关IPC 2152标准保守。此计算将告诉您对于给定的平面尺寸和電(diàn)流可(kě)以预期的温升，也可(kě)以用(yòng)于确定给定温度和電(diàn)流的平面尺寸。您在互联网上找到的大多(duō)数计算器都将采用(yòng)后一种方法。此计算的输入為(wèi)：

从外部环境温度允许的最大温升（通常选择10-20°C）

電(diàn)源平面的铜重量

所需電(diàn)流（安培）

首先，使用(yòng)所需的電(diàn)流和温度上升值计算最小(xiǎo)所需面积：

IPC 2221中的電(diàn)源平面截面积公式

接下来，使用(yòng)铜砝码从该面积计算平面的横截面宽度。铜平面的厚度為(wèi)1 oz./sq。英尺的重量是0.35毫米，因此您可(kě)以用(yòng)它来计算飞机的跨度。最好的设计工具将帮助您使用(yòng)布局后仿真器评估结果，以发现電(diàn)流和温度过高的區(qū)域。

如果您愿意，可(kě)以切换此范围以获得允许的温度上升的電(diàn)流限制。首先，您需要针对電(diàn)流求解上述方程式。接下来，获取飞机的横截面积和指定的温升，并将其插入已求解的方程式中。现在，您有(yǒu)電(diàn)源平面的最大電(diàn)流限制。

為(wèi)更高的温度或電(diàn)流而设计

如果您需要遠(yuǎn)离電(diàn)路板的极端散热，例如在電(diàn)源系统或汽車(chē)系统中，则可(kě)以选择陶瓷或金属芯基板。这些基板会将更多(duō)的热量从電(diàn)路板上散发出去，因此您可(kě)以期望系统在运行期间处于较低的稳态温度下。您可(kě)能(néng)能(néng)够从系统中卸下冷却风扇或散热器，具體(tǐ)取决于将在何处部署板。

另一个简单的选择是仅在多(duō)层上使用(yòng)多(duō)个電(diàn)源层。以我最近的一个项目為(wèi)例，我们制作了一个6U背板，该背板需要从一对热插拔電(diàn)源向不同连接器上的多(duō)个子板提供高达100A的電(diàn)流。这样的板已经相当大，但是板的一个區(qū)域中的平面部分(fēn)只能(néng)承载约20 A的電(diàn)流，而不会将板的温度升高到不可(kě)接受的水平。解决方案？在不同的层上使用(yòng)多(duō)个電(diàn)源平面！并行运行電(diàn)源平面等效于使用(yòng)较粗的铜，这将增加PCB電(diàn)源平面的总電(diàn)流容量。

下面显示了一个类似的示例，其中两个電(diàn)压不同的電(diàn)源板用(yòng)于承载大電(diàn)流。酒红色显示低電(diàn)压/低電(diàn)流平面，绿色显示高電(diàn)压/高電(diàn)流平面。如果您对配電(diàn)设计很(hěn)有(yǒu)创意，则可(kě)以在不同平面之间分(fēn)配電(diàn)流，以帮助防止任何单个平面的温度升高。

并行平面可(kě)以承载位于PCB電(diàn)源平面電(diàn)流容量以下的不同電(diàn)压和電(diàn)流。

确定電(diàn)源平面的電(diàn)流容量后，即可(kě)使用(yòng)PDNA工具在直流仿真中检查直流電(diàn)流分(fēn)布。