Τα ηλεκτρονικά προϊόντα κινούνται συνεχώς προς την υψηλή ισχύ και την υψηλή απόδοση. Από τα συστήματα φόρτισης για ηλεκτρικά οχήματα έως τις μονάδες υψηλής ισχύος-για βιομηχανικό εξοπλισμό, οι ηλεκτρονικές εφαρμογές υψηλής- ισχύος έχουν θέσει αυστηρές απαιτήσεις όσον αφορά την τρέχουσα ικανότητα μεταφοράς των κυκλωμάτων. Οι παχιές πλακέτες PCB από χαλκό έχουν γίνει βασικό τεχνικό στήριγμα για την κάλυψη αυτών των απαιτήσεων λόγω των εξαιρετικών χαρακτηριστικών μεταφοράς ρεύματος.
Ορισμός και πλεονεκτήματα τουχοντρή χάλκινη πλακέτα pcb
Η χοντρή σανίδα pcb χαλκού αναφέρεται συνήθως σε μια σανίδα pcb με πάχος φύλλου χαλκού μεγαλύτερο από το συμβατικό 1oz (περίπου 35 μ m). Τα κοινά πάχη περιλαμβάνουν 2oz (περίπου 70 μ m), 3 oz (περίπου 105 μ m), 4 oz (περίπου 140 μ m), κ.λπ. Σύμφωνα με τον νόμο του Ohm, η θερμότητα που παράγεται όταν το ρεύμα διέρχεται από έναν αγωγό είναι ανάλογη της αντίστασής του, ενώ η αντίσταση είναι αντιστρόφως ανάλογη με την{11}}διατομή του αγωγού. Οι χοντρές χάλκινες πλακέτες pcb, λόγω του παχύτερου φύλλου χαλκού και της μεγαλύτερης{13}}διατομής των αγωγών, έχουν σημαντικά μειωμένη αντίσταση και μπορούν να μεταφέρουν μεγαλύτερα ρεύματα, μειώνοντας αποτελεσματικά την απώλεια ισχύος και τα φαινόμενα θέρμανσης στο κύκλωμα.
Βασικοί παράγοντες που επηρεάζουν την τρέχουσα φέρουσα ικανότητα
Πάχος φύλλου χαλκού: Το πάχος φύλλου χαλκού είναι ο βασικός παράγοντας που καθορίζει την ικανότητα μεταφοράς ρεύματος. Το πρότυπο IPC-2221 παρέχει έναν εμπειρικό τύπο για τον υπολογισμό της τρέχουσας ικανότητας μεταφοράς των ιχνών pcb σε ένα τυπικό περιβάλλον (θερμοκρασία περιβάλλοντος 25 βαθμοί C, μέγιστη αύξηση θερμοκρασίας 10 βαθμοί C): I=k × (Wb × Tc), όπου I είναι το μέγιστο επιτρεπόμενο ρεύμα, W είναι το πλάτος του σύρματος, T είναι το πλάτος του σύρματος, T είναι το πάχος του σύρματος είναι ένα εσωτερικό ή εξωτερικό στρώμα). Μπορεί να φανεί ξεκάθαρα από τον τύπο ότι, υπό άλλες σταθερές συνθήκες, μια αύξηση στο πάχος του φύλλου χαλκού βελτιώνει σημαντικά την ικανότητα μεταφοράς ρεύματος. Για παράδειγμα, ένα πάχος χαλκού 1 oz μπορεί συνήθως να μεταφέρει ρεύμα περίπου 1A/mm, ενώ ένα πάχος χαλκού 2 oz αυξάνει σημαντικά την ικανότητα μεταφοράς ρεύματος.
Πλάτος σύρματος: Το πλάτος του καλωδίου έχει επίσης σημαντικό αντίκτυπο στην ικανότητα μεταφοράς ρεύματος. Ένα ευρύτερο καλώδιο μπορεί να παρέχει μεγαλύτερη διαδρομή ρεύματος, να μειώσει την πυκνότητα ρεύματος και να ελαχιστοποιήσει την παραγωγή θερμότητας. Στην πρακτική μηχανική, καθώς αυξάνεται το πλάτος του σύρματος, η ικανότητα μεταφοράς ρεύματος του pcb βελτιώνεται, αλλά δεν είναι αυστηρά γραμμική αύξηση, αλλά η αύξηση σταδιακά μειώνεται. Για παράδειγμα, υπό αύξηση θερμοκρασίας 10 βαθμών C, μια πλακέτα κυκλώματος με πάχος 1 oz χαλκού και πλάτος καλωδίου 100 mil (2,5 mm) μπορεί να περάσει ρεύμα 4,5 Α. Καθώς το πλάτος του καλωδίου αυξάνεται περαιτέρω, η ταχύτητα της βελτίωσης της ικανότητας μεταφοράς ρεύματος επιβραδύνεται.
Περιβαλλοντική θερμοκρασία και συνθήκες απαγωγής θερμότητας: Δεν μπορεί να αγνοηθεί ο αντίκτυπος της θερμοκρασίας περιβάλλοντος και των συνθηκών απαγωγής θερμότητας στην ικανότητα μεταφοράς ρεύματος των χοντρού χάλκινων πλακών pcb. Όταν η θερμοκρασία περιβάλλοντος αυξάνεται, η ηλεκτρική ειδική αντίσταση του χαλκού αυξάνεται, η αντίσταση της γραμμής αυξάνεται και παράγεται περισσότερη θερμότητα κάτω από το ίδιο ρεύμα. Οι καλές συνθήκες απαγωγής θερμότητας, όπως η προσθήκη ψυκτών θερμότητας, η χρήση εξαναγκασμένης ψύξης με αέρα ή υγρής ψύξης, μπορούν να μειώσουν αποτελεσματικά τη θερμοκρασία της πλακέτας PCB και να βελτιώσουν την τρέχουσα χωρητικότητα μεταφοράς. Για παράδειγμα, σε ηλεκτρονικές συσκευές υψηλής ισχύος-, η εγκατάσταση απαγωγέων θερμότητας μεγάλης-επιφάνειας σε χοντρές χάλκινες σανίδες PCB και η χρήση ανεμιστήρων για εξαναγκασμένη ψύξη αέρα μπορεί να βελτιώσει σημαντικά την τρέχουσα χωρητικότητα μεταφοράς τους σε περιβάλλοντα υψηλής{{5} θερμοκρασίας και να εξασφαλίσει σταθερή λειτουργία του εξοπλισμού.
Υπολογισμός και αξιολόγηση της τρέχουσας φέρουσας ικανότητας
Υπολογισμός με βάση τυπικούς τύπους: Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως στον τυπικό τύπο IPC-2221, με γνωστό πάχος φύλλου χαλκού, πλάτος σύρματος και προσδιορισμό του εάν η πλακέτα κυκλώματος είναι εσωτερικό ή εξωτερικό στρώμα, η ικανότητα μεταφοράς ρεύματος μπορεί να εκτιμηθεί προκαταρκτικά. Αλλά αυτός ο τύπος προκύπτει σε συγκεκριμένα τυπικά περιβάλλοντα και σε πρακτικές εφαρμογές, τα αποτελέσματα υπολογισμού πρέπει να διορθωθούν με βάση παράγοντες όπως η θερμοκρασία περιβάλλοντος και οι συνθήκες απαγωγής θερμότητας.
Ανάλυση προσομοίωσης: Το επαγγελματικό ηλεκτρονικό λογισμικό αυτοματισμού σχεδιασμού μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την προσομοίωση της τρέχουσας κατάστασης μεταφοράς των χοντρών χάλκινων πλακών pcb. Κατασκευάζοντας ένα ακριβές μοντέλο πλακέτας κυκλώματος και ρυθμίζοντας παραμέτρους όπως ρεύμα, θερμοκρασία και απαγωγή θερμότητας υπό πραγματικές συνθήκες εργασίας, το λογισμικό μπορεί να εμφανίσει διαισθητικά την κατανομή του ρεύματος στην πλακέτα PCB, τις αλλαγές θερμοκρασίας σε διάφορα μέρη και πιθανές περιοχές hotspot, παρέχοντας πιο ακριβή και λεπτομερή υποστήριξη δεδομένων για την αξιολόγηση της ικανότητας μεταφοράς ρεύματος.
Πραγματική δοκιμή και επαλήθευση: Κατά τη διαδικασία ανάπτυξης του προϊόντος, η παραγωγή δειγμάτων και η πραγματοποίηση δοκιμών είναι σημαντικά βήματα για την επαλήθευση της τρέχουσας φέρουσας ικανότητας. Εφαρμόζοντας διαφορετικά επίπεδα ρεύματος στο δείγμα, παρακολουθείτε παραμέτρους όπως αλλαγές θερμοκρασίας και πτώσεις τάσης κυκλώματος της πλακέτας pcb, συγκρίνοντάς τις με θεωρητικούς υπολογισμούς και αποτελέσματα προσομοίωσης, βελτιστοποιώντας περαιτέρω τον σχεδιασμό για να διασφαλιστεί ότι οι χάλκινες πλακέτες PCB μπορούν να ικανοποιήσουν τις απαιτήσεις μεταφοράς ρεύματος σε πρακτικές εφαρμογές.
Τρέχουσα απόδοση σε σενάρια εφαρμογών
Ηλεκτρονικός εξοπλισμός ισχύος: Οι παχιές χάλκινες πλακέτες PCB διαδραματίζουν βασικό ρόλο σε ηλεκτρονικό εξοπλισμό υψηλής ισχύος{{0}, όπως μετατροπείς ισχύος και σταθμοί φόρτισης ηλεκτρικών οχημάτων. Λαμβάνοντας ως παράδειγμα τους σταθμούς φόρτισης ηλεκτρικών οχημάτων, η ισχύς φόρτισής τους αυξάνεται συνεχώς, από αρκετά κιλοβάτ τις πρώτες μέρες σε δεκάδες κιλοβάτ ή ακόμα και υψηλότερα σήμερα. Προκειμένου να εξασφαλιστεί σταθερή και αποτελεσματική μετάδοση υψηλού ρεύματος, το κύκλωμα ισχύος μέσα στο σταθμό φόρτισης χρησιμοποιεί συνήθως χοντρές χάλκινες πλακέτες pcb. Εάν χρησιμοποιηθεί μια πλακέτα pcb από χαλκό πάχους 4 oz, σε συνδυασμό με μια λογική σχεδίαση καλωδίωσης, μπορεί να μεταφέρει εύκολα εκατοντάδες αμπέρ ρεύματος φόρτισης, διασφαλίζοντας ότι ο σταθμός φόρτισης μπορεί να φορτίζει ηλεκτρικά οχήματα γρήγορα και αξιόπιστα.
Βιομηχανικός έλεγχος και αυτοματισμός: Οι ηλεκτροκινητήρες υψηλής ισχύος, οι μετατροπείς συχνότητας και ο άλλος εξοπλισμός σε βιομηχανικά περιβάλλοντα απαιτούν υψηλή αξιοπιστία λόγω των μεγάλων ρευμάτων λειτουργίας τους. Οι παχιές πλάκες pcb χαλκού, με την υψηλή ικανότητα μεταφοράς ρεύματος και την καλή μηχανική αντοχή τους, μπορούν να λειτουργούν σταθερά σε πολύπλοκα βιομηχανικά περιβάλλοντα. Στα μεγάλα συστήματα μετάδοσης κίνησης κινητήρα, η χρήση χοντρών χάλκινων πλακών pcb ως κυκλωμάτων ελέγχου και κυκλωμάτων μετάδοσης ισχύος μπορεί να μειώσει αποτελεσματικά τις βλάβες της γραμμής που προκαλούνται από υπερβολικό ρεύμα, να βελτιώσει τη σταθερότητα του εξοπλισμού και την απόδοση παραγωγής.
Σύστημα ισχύος σταθμού βάσης επικοινωνίας: Με τη διάδοση της τεχνολογίας επικοινωνίας 5G, η ζήτηση ισχύος των σταθμών βάσης επικοινωνίας έχει αυξηθεί σημαντικά. Το σύστημα τροφοδοσίας του σταθμού βάσης απαιτεί μια πλακέτα PCB ικανή να μεταφέρει υψηλά ρεύματα για να εξασφαλίσει σταθερή παροχή ρεύματος. Η εφαρμογή χοντρών χάλκινων πλακών pcb σε μονάδες ισχύος σταθμού βάσης επικοινωνίας μπορεί να καλύψει τις υψηλές απαιτήσεις μεταφοράς ρεύματος, ενώ η καλή απόδοση απαγωγής θερμότητας συμβάλλει στη μείωση της θερμοκρασίας του εξοπλισμού, στη βελτίωση της αξιοπιστίας και της διάρκειας ζωής των συστημάτων ισχύος και στην εξασφάλιση 24ωρης αδιάλειπτης λειτουργίας των σταθμών βάσης επικοινωνίας.
Βασικά σημεία του σχεδιασμού μεταφοράς ρεύματος για χοντρή χάλκινη πλακέτα pcb
Λογικός προγραμματισμός καλωδίωσης: Όταν σχεδιάζετε χοντρές χάλκινες πλακέτες PCB, το μήκος των κυκλωμάτων υψηλού ρεύματος θα πρέπει να συντομεύεται όσο το δυνατόν περισσότερο για να μειωθεί η αντίσταση και η επαγωγή του κυκλώματος. Ταυτόχρονα, αποφύγετε τις απότομες στροφές ή τα στενά σημεία συμφόρησης στη γραμμή για να εξασφαλίσετε ομαλή διέλευση του ρεύματος. Όταν χρησιμοποιείτε ένα σχέδιο πλακέτας πολλαπλών-επιπέδων, είναι σημαντικό να κατανέμετε εύλογα τα επίπεδα ισχύος και γείωσης, να βελτιστοποιείτε τις τρέχουσες διαδρομές και να εξισορροπείτε την κατανομή ρεύματος.
Αυξήστε τον αριθμό των διαμπερών οπών: Σε χάλκινες πλακέτες pcb με πάχος{0}}πολλαπλών στρώσεων, οι διαμπερείς οπές είναι βασικά κανάλια για τη σύνδεση διαφορετικών στρωμάτων φύλλου χαλκού. Η εύλογη αύξηση του αριθμού των vias μπορεί να μειώσει αποτελεσματικά την αντίσταση μετάδοσης του ρεύματος μεταξύ των στρωμάτων, να εξισορροπήσει την κατανομή του ρεύματος και να μειώσει το πρόβλημα της υπερβολικής τοπικής πυκνότητας ρεύματος. Για παράδειγμα, σε περιοχές δρομολόγησης υψηλού ρεύματος, η ρύθμιση πολλαπλών vias σε τακτά χρονικά διαστήματα για να σχηματιστεί μια διάταξη μέσω μπορεί να βελτιώσει σημαντικά την ικανότητα μεταφοράς ρεύματος.