Leiterplattenlayout für hohe Ampere

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Ich mache eine 12-V-Stromverteilungsbox und arbeite zum ersten Mal mit hohen Strömen. Dies ist für ein Boot, und die Idee ist, mit geringem Stromverbrauch bis zur Schalttafel zu fahren und die Hochleistungskabel so kurz wie möglich zu halten.

Vereinfachtes Schema:

Vereinfachtes Schema

Der Eingang an X1-1, F1 ist eine schnell wirkende 25A-Sicherung, K1 ist ein Relaisschalter und schließlich der Ausgang X2-1. Idealerweise sollte der X1-1 durch einen Kupferstab ersetzt werden, der auf die Leiterplatte gelötet ist, um die Stromversorgung auf die 10 ähnlichen Ein / Aus-Schaltkreise zu verteilen, die ich habe. 250A ist zu viel für jede Leiterplatte, nehme ich an ... :)

Die Spur mit Taschenrechner sagt, ich brauche eine Spurbreite von 25,5 mm. Die Spur von X1-1 nach F1 beträgt jedoch weniger als 10 mm, und es handelt sich um einen hässlichen Kupferklumpen mit einer Länge von 10 mm und einer Breite von 25,5 mm.

Hoffe, jemand kann mir helfen, hier zu rechnen.


Ok, meine Mathematik von hier geht von 2 Unzen aus (70μm) Platte, einseitig und unter Verwendung von Durchgangslochkomponenten und noch stehender Luft als Umgebungsluft:

R=ρ×lw×h=1.7×108×10mm12.7mm×70μm=191,23μΩ
U.treince=R.ich=191,23μΩ×25EIN=4.78mV.
P.treince=ichU.=25EIN×4.78mV.=119,5mW.
ΔT.=P.S.ein×h=119,5mW.(1cm×1.27cm)×0,001W./.cm2/.C.=94.1C.

Es scheint mein 10×12.7mmDer Blob ist zu klein, um die Leistung angemessen abzuleiten. Wenn ich ein benutze35μm Kupferplatte und doppelte Fläche, die ich bekomme ΔT. bis ungefähr 47C..

Sind meine Berechnungen korrekt? Wenn ja, wird es auch nach dem Erstellen gleich gut funktionieren?

Rozon
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Für welches Kupfergewicht entwerfen Sie? Wenn Sie das Standard-1-Unzen-Kupfer verwenden, beachten Sie, dass bis zu 2-Unzen-Kupfer leicht verfügbar ist und dickere Kupferprodukte vorhanden sind, die sich jedoch auf die Vorlaufzeit und die Kosten auswirken können.
Das Photon
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Welche Kupferdicke nehmen Sie an? Hochstromkonstruktionen verwenden 2 um (70 um) oder sogar 3oz (105 um) Kupferschichten. Dies ist kein Projekt für einen spottbilligen 1-Unzen-Prototyp-Service (nur 35 um). Warum überhaupt eine Leiterplatte verwenden? Und warum verteilen Sie so viel Strom bei so niedriger Spannung?
Dave Tweed
@ Dave, ich habe Antworten auf die meisten Ihrer Kommentare im Beitrag hinzugefügt. Ich möchte eine Leiterplatte verwenden, da andere Teile der Schaltung nicht auf dem Bild angezeigt werden und für die Frage nicht relevant sind. Sie könnten durch Drähte und Stangen gelöst werden, aber es wäre sauberer, eine Leiterplatte zu verwenden. Mein PCB-Service kann alles liefern, was ich will (oder mir leisten kann). :)
Rozon
Woher kommt der Term 0,001 W / (cm ^ 2 C)? Umgedreht sind das 1000 C / W für einen 1 cm ^ 2 oder 155 C / W für einen 1 in ^ 2-Bereich (nur um es in Einheiten zu setzen, mit denen ich besser vertraut bin). Das ist viel schlimmer als die üblichen Werte, die zur Ermittlung der Wärmeableitung für oberflächenmontierte Komponenten verwendet werden. Angenommen, stille Luft kann Sie töten - Konvektion (Luftbewegung, die von Ihrer Wärmequelle selbst erzeugt wird) sollte als Hauptfaktor für den Wärmefluss angesehen werden.
Das Photon
@Photon: Ich habe es von dieser App erhalten Hinweis: ti.com/lit/ml/slup230/slup230.pdf
Rozon

Antworten:

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Wenn F1 und K1 durch Lochteile sind, können Sie zwei Spuren parallel platzieren, eine auf jeder Seite der Platine. Jede Spur wäre ungefähr 10 - 15 mm breit.

Eine weitere Option: Zeichnen Sie die Verbindung nicht als Spur, sondern als Polygon oder Füllung. Der größte Teil des Stroms folgt immer noch in der Nähe des kürzesten Pfades, aber der hinzugefügte Bereich trägt dazu bei, die Wärme abzuleiten.

Beachten Sie auch, dass bei so kurzen Entfernungen die Strommenge, die zu den einzelnen Stiften Ihrer Komponenten gelangt, den Gesamtwiderstand der Verbindung dominieren kann. Die Verwendung größerer Löcher (für die Komponenten mit größeren Leitungen erforderlich sind) hilft dabei.

Bearbeiten

Erstens bin ich mir nicht sicher, wie sich dies auswirkt , aber diese Strombelastbarkeitstabelle besagt, dass eine 0,25-Zoll-Spur in 2-Unzen-Kupfer ausreicht, um 24,5 A bei 30 ° C Temperaturanstieg zu tragen. Dies ist ungefähr 1/4 der Zahl, die Sie sich einfallen lassen (25 mm). Leider ist der Quelle nicht klar, welche Annahmen in ihre Berechnungen einflossen.

Zweitens sieht die Mathematik, die Sie in Ihrer Bearbeitung hinzugefügt haben, gut aus.

Wie Sie sehen, können Sie durch Vergrößern der Kupferfläche mehr Wärme abführen. Es gibt keinen Grund, den Bereich nur durch Erhöhen der Trace-Breite zu vergrößern. Sie können einfach einen großen Kupferbereich mit einer beliebigen Form erstellen, je näher ein einfaches Quadrat oder ein Kreis ist, desto besser), solange er Ihren Eingang und Ausgang verbindet und sich die Wärme leicht ausbreitet, um eine Ableitung über den gesamten Bereich zu ermöglichen ( mit natürlich einer gewissen Konzentration in dem Bereich, in dem die Wärme tatsächlich erzeugt wird).

Drittens ist es wahrscheinlich, dass keine Rückseite der Hüllkurvenberechnung für diese Art von thermischen Schätzungen besonders genau ist. Wenn Sie wirklich eine gute Schätzung erhalten möchten, sollten Sie sich ein thermisches Analysetool wie FloTherm oder Ansys IcePak ansehen. Diese Tools verbessern sowohl die Fähigkeit, Konvektionseffekte genau abzuschätzen, als auch "Kanteneffekte", die ins Spiel kommen, weil Ihre "Spurenlänge" so viel kürzer als Ihre "Spurenbreite" ist.

Das Photon
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Ja! Es wären jedoch mehrere Durchkontaktierungen erforderlich, um die Wärmeübertragung angemessen zu gestalten, und dies würde die Berechnungen erschweren. Aber Sie haben Recht, dies ist ein ziemlich geschickter Weg, um die Zahlen zu Ihren Gunsten zu bekommen. Ich zögere jedoch, doppelseitige Platten für dieses Projekt zu verwenden.
Rozon
Es wurde ein weiteres Ampazitätsdiagramm gefunden, das besagt, dass Sie eine PWB-Kurve mit nur etwa 700 mil ^ 2 Querschnittsfläche (etwa 1/2, was Sie vorschlagen) benötigen, um 25 A mit einem Temperaturanstieg von weniger als 30 ° C zu tragen. endlos-sphere.com/w/index.php/Ampacity
Das Photon
Ich schätze es sehr, Mathe zu machen, auch auf der Rückseite eines Umschlags, da ich die Gründe für die Simulationen lerne und in der Lage bin, einen besseren Ausgangspunkt zu schätzen. Am Ende werde ich wahrscheinlich die Berechnungen für das Quadrat durchführen, das für 1 Unze Kupfer benötigt wird, und wahrscheinlich 2 Unzen für die Produktionsplatte verwenden. Besser sicher als leid ...
Rozon
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Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Spuren mit einer Lötmaske unbedeckt zu lassen.

Dann können Sie die Dicke der Leiterbahn mit Lötmittel effektiv erhöhen, wenn Sie die Platine zusammenbauen.

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein
Völlig bloße Spuren

Eine andere Alternative besteht darin, die Lötmaske von den Leiterbahnen fernzuhalten und dann während der Montage zusätzlichen Kupferdraht darauf zu löten. Ich habe das selbst mit Solderwick gemacht.Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Connor Wolf
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Denken Sie daran, dass der spezifische Widerstand von Lötmittel etwa 10-mal so hoch ist wie der von Kupfer. Daher ist der Aufbau mit Lötmittel allein nicht so effektiv, wie Sie vielleicht denken. Kupferdraht oder Lötwick ist eine viel bessere Idee.
Dave Tweed
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Der andere Nachteil der Verwendung von Lot als Zusatzleiter besteht darin, dass es konstruktionsbedingt einen niedrigen Schmelzpunkt aufweist. Wenn Sie aufgrund von Überstrom oder Unterkonstruktion in thermische Probleme geraten, führt das Abschmelzen von Lötmittel als Leiter von Ihrer Platine zu einem schnellen Durchgehen (Lötschmelze, Querschnittsfläche sinkt, Temperatur steigt weiter, Lötschmelze steigt weiter). .). Wirklich hoher Strom wird am besten laminierten Sammelschienenstrukturen (für Hochfrequenzschaltung) oder Punkt-zu-Punkt-Verkabelung (für normale Relais und Sicherungen) überlassen.
HikeOnPast
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Schöne Fotos. Ich habe ein starkes Gefühl beim Rechnen, und das Hinzufügen von Lötmittel zu den Spuren ist sehr schwer zu erraten.
Rozon
Vieles davon hängt von der Anzahl der Boards ab, die Sie herstellen. Wenn Sie nur ein oder zwei Platinen herstellen, ist das Löten von Zusatzdraht über den Leiterbahnen ein angemessener Preis. Wenn Sie dies in der Produktion tun, ist die einzige Option neben schwerem Kupfer das Fließen von Lot auf die Spuren.
Connor Wolf
Wie auch immer, die Technik des Lötens der Spuren kann Ihnen das Äquivalent einer weiteren effektiven Kupferdicke von 1 Unze oder 1/2 Unze bringen. Wenn Sie eine 1-Unzen-Kupferplatte haben und wirklich 4 Unzen benötigen, sind Sie vollgestopft. Wenn Sie jedoch am Rande dessen sind, was mit 1 Unze Kupfer erreichbar ist, ist dies eine kostengünstige Möglichkeit, die Leistung der Platine zu verbessern.
Connor Wolf