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如何計(jì)算PCB電源平面的電流容量
電源層是PCB不可或缺的一部分，但電源層應(yīng)有多大？舒適地承載大電流是多少？事實(shí)是設(shè)計(jì)人員可以靈活地調(diào)整約束以適應(yīng)PCB電源板上更大的電流，但是電源板的尺寸將限制PCB電源板上的最大電流容量。當(dāng)您需要確保高可靠性時(shí)，IPC標(biāo)準(zhǔn)是開(kāi)始調(diào)整電源平面尺寸以確保電路板保持涼爽的好地方。
了解PCB電源平面的電流容量
電源平面和接地平面在您的PCB中有多種用途，而不僅僅是在組件之間傳遞電流。它們是DC和AC電源完整性不可或缺的一部分，并且與其他PCB布局一樣，它們通常同樣需要關(guān)注細(xì)節(jié)。
由于所有導(dǎo)體都具有一定的直流電阻，因此當(dāng)它們攜帶一些電流時(shí)，會(huì)散發(fā)一些熱量。與其他導(dǎo)體一樣，銅平面的大小將決定其直流電阻，而直流電阻將決定在功率平面中作為熱量散失的功率。就像嘗試確定最小走線寬度時(shí)一樣，對(duì)于給定的所需DC電流，存在最小的電源平面大小，或者對(duì)于給定的平面大小，具有最大的PCB電源平面電流容量。
為什么要使用大型飛機(jī)？
從直流電阻和功耗的角度來(lái)看，使用較大電源平面有兩個(gè)原因：
更低的直流電阻：物理上較大的電源平面可以做得更寬，并且比狹窄的平面具有更低的直流電阻，因此它們散發(fā)的熱量更少。
更大的熱傳遞：與裸露的基板相比，PCB中的電源層可以將更多的熱量從熱的組件中轉(zhuǎn)移出去。
由于AC和EMI的原因，物理上較大的平面也是理想的，因?yàn)樗鼈優(yōu)楦咚侔逯械娜ヱ钐峁┝溯^大的平面間電容，并且為EMI提供了一定的隔離度。但是，由于在許多電源系統(tǒng)中，PCB電源板的主要工作是在電路板上承載大電流，因此開(kāi)始設(shè)計(jì)的第一步是確定您的板在不過(guò)熱的情況下可以承載的最大電流。
電源平面電流容量計(jì)算
開(kāi)始計(jì)算電源平面電流容量的最佳位置是使用IPC 2221標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于高壓設(shè)計(jì)，該標(biāo)準(zhǔn)涵蓋了多個(gè)設(shè)計(jì)可靠性方面，但據(jù)說(shuō)不如相關(guān)IPC 2152標(biāo)準(zhǔn)保守。此計(jì)算將告訴您對(duì)于給定的平面尺寸和電流可以預(yù)期的溫升，也可以用于確定給定溫度和電流的平面尺寸。您在互聯(lián)網(wǎng)上找到的大多數(shù)計(jì)算器都將采用后一種方法。此計(jì)算的輸入為：
從外部環(huán)境溫度允許的最大溫升（通常選擇10-20°C）
電源平面的銅重量
所需電流（安培）
首先，使用所需的電流和溫度上升值計(jì)算最小所需面積：
IPC 2221中的電源平面截面積公式
接下來(lái)，使用銅砝碼從該面積計(jì)算平面的橫截面寬度。銅平面的厚度為1 oz./sq。英尺的重量是0.35毫米，因此您可以用它來(lái)計(jì)算飛機(jī)的跨度。最好的設(shè)計(jì)工具將幫助您使用布局后仿真器評(píng)估結(jié)果，以發(fā)現(xiàn)電流和溫度過(guò)高的區(qū)域。
如果您愿意，可以切換此范圍以獲得允許的溫度上升的電流限制。首先，您需要針對(duì)電流求解上述方程式。接下來(lái)，獲取飛機(jī)的橫截面積和指定的溫升，并將其插入已求解的方程式中?，F(xiàn)在，您有電源平面的最大電流限制。
為更高的溫度或電流而設(shè)計(jì)
如果您需要遠(yuǎn)離電路板的極端散熱，例如在電源系統(tǒng)或汽車(chē)系統(tǒng)中，則可以選擇陶瓷或金屬芯基板。這些基板會(huì)將更多的熱量從電路板上散發(fā)出去，因此您可以期望系統(tǒng)在運(yùn)行期間處于較低的穩(wěn)態(tài)溫度下。您可能能夠從系統(tǒng)中卸下冷卻風(fēng)扇或散熱器，具體取決于將在何處部署板。
另一個(gè)簡(jiǎn)單的選擇是僅在多層上使用多個(gè)電源層。以我最近的一個(gè)項(xiàng)目為例，我們制作了一個(gè)6U背板，該背板需要從一對(duì)熱插拔電源向不同連接器上的多個(gè)子板提供高達(dá)100A的電流。這樣的板已經(jīng)相當(dāng)大，但是板的一個(gè)區(qū)域中的平面部分只能承載約20 A的電流，而不會(huì)將板的溫度升高到不可接受的水平。解決方案？在不同的層上使用多個(gè)電源平面！并行運(yùn)行電源平面等效于使用較粗的銅，這將增加PCB電源平面的總電流容量。
下面顯示了一個(gè)類(lèi)似的示例，其中兩個(gè)電壓不同的電源板用于承載大電流。酒紅色顯示低電壓/低電流平面，綠色顯示高電壓/高電流平面。如果您對(duì)配電設(shè)計(jì)很有創(chuàng)意，則可以在不同平面之間分配電流，以幫助防止任何單個(gè)平面的溫度升高。
并行平面可以承載位于PCB電源平面電流容量以下的不同電壓和電流。
確定電源平面的電流容量后，即可使用PDNA工具在直流仿真中檢查直流電流分布。