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如何計算PCB電源平面的電流容量
電源層是PCB不可或缺的一部分，但電源層應有多大？舒適地承載大電流是多少？事實是設計人員可以靈活地調整約束以適應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。當您需要確保高可靠性時，IPC標準是開始調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注細節(jié)。
由于所有導體都具有一定的直流電阻，因此當它們攜帶一些電流時，會散發(fā)一些熱量。與其他導體一樣，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一樣，對于給定的所需DC電流，存在最小的電源平面大小，或者對于給定的平面大小，具有最大的PCB電源平面電流容量。
為什么要使用大型飛機？
從直流電阻和功耗的角度來看，使用較大電源平面有兩個原因：
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，因為它們?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，因此開始設計的第一步是確定您的板在不過熱的情況下可以承載的最大電流。
電源平面電流容量計算
開始計算電源平面電流容量的最佳位置是使用IPC 2221標準。對于高壓設計，該標準涵蓋了多個設計可靠性方面，但據說不如相關IPC 2152標準保守。此計算將告訴您對于給定的平面尺寸和電流可以預期的溫升，也可以用于確定給定溫度和電流的平面尺寸。您在互聯(lián)網上找到的大多數計算器都將采用后一種方法。此計算的輸入為：
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算最小所需面積：
IPC 2221中的電源平面截面積公式
接下來，使用銅砝碼從該面積計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，因此您可以用它來計算飛機的跨度。最好的設計工具將幫助您使用布局后仿真器評估結果，以發(fā)現(xiàn)電流和溫度過高的區(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，您需要針對電流求解上述方程式。接下來，獲取飛機的橫截面積和指定的溫升，并將其插入已求解的方程式中。現(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計
如果您需要遠離電路板的極端散熱，例如在電源系統(tǒng)或汽車系統(tǒng)中，則可以選擇陶瓷或金屬芯基板。這些基板會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)中卸下冷卻風扇或散熱器，具體取決于將在何處部署板。
另一個簡單的選擇是僅在多層上使用多個電源層。以我最近的一個項目為例，我們制作了一個6U背板，該背板需要從一對熱插拔電源向不同連接器上的多個子板提供高達100A的電流。這樣的板已經相當大，但是板的一個區(qū)域中的平面部分只能承載約20 A的電流，而不會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電源平面！并行運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。
下面顯示了一個類似的示例，其中兩個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。如果您對配電設計很有創(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。