À propos du PCB à courant élevé, Il y a toujours un moment où vous avez besoin d’un PCB pour transporter des courants plus élevés que d’habitude. Le transport de courants importants sur le PCB nécessite quelques modifications et règles de conception.
Cet article va couvrir tout ce qu’il faut savoir lors de la conception d’un PCB à courant élevé.
1、Facteurs de base concernant les PCB à courant élevé
En règle générale, les facteurs fondamentaux essentiels à la conception d’une carte à courant fort sont les suivants.
Largeur de la trace
L’un des principaux facteurs déterminant la quantité de courant qu’une trace peut transporter sera sa largeur.
Les pistes plus larges transporteront plus de courant. En règle générale, on considère qu’une largeur de piste de 1 mm par ampère de courant pris pour une carte avec une épaisseur de cuivre standard.
Comme vous pouvez le constater, cette largeur devient vite déraisonnable lorsqu’une trace doit transporter des dizaines d’ampères, et un tel chemin prendrait beaucoup de place.
Épaisseur du cuivre
L’épaisseur du cuivre est l’épaisseur réelle des traces qui se trouvent sur un PCB. L’épaisseur de cuivre par défaut est généralement de 17,5 microns. Des épaisseurs de cuivre plus élevées peuvent atteindre 35 et 50 microns. Plus l’épaisseur du cuivre est élevée, moins votre trace doit être large pour transporter le même courant. L’augmentation de l’épaisseur du cuivre entraîne un coût supplémentaire mais permet de gagner de l’espace sur vos cartes puisque, avec une viscosité plus élevée, la largeur de la trace requise est bien moindre.
Capacités technologiques du fabricant
Comme toujours, vous ne pouvez concevoir une carte que si votre fabricant est en mesure de la fabriquer.
Pour les cartes à courant fort, les deux éléments suivants sont essentiels et doivent être examinés sur la page des capacités techniques de votre fabricant.
1. L’épaisseur du cuivre pour les couches externes – Il s’agit des deux couches les plus externes de votre carte, supérieure et inférieure. Le fabricant fournira des informations sur l’épaisseur (généralement mesurée en microns ou en onces) du cuivre qu’il peut fabriquer sur les couches extérieures.
2. Épaisseur de cuivre des couches internes – Ceci indique les limites d’épaisseur de cuivre sur les couches internes. Souvent, les couches internes doivent supporter des courants importants, notamment pour les boîtiers tels que les BGA.
En plus de ces deux facteurs, il faut également regarder quel type de classe de température le fabricant peut offrir pour le matériau de la carte. Les classes les plus courantes sont TG150, TG138, etc.
Chaleur produite
Enfin, le facteur qui contribuera à la longévité de la carte et des composants est la chaleur produite par une piste à courant élevé sur un PCB.
La perte de puissance en watts peut être calculée comme la résistance de la trace multipliée par le carré du courant qui la traverse.
En d’autres termes, P= I2R.
Idéalement, ce chiffre devrait être aussi bas que possible, mais même les traces épaisses ont une résistance spécifique, et lorsqu’elles transportent des courants importants, la perte de puissance augmente considérablement, et la trace s’échauffe.
Les points chauds dans le PCB peuvent alors conduire à la déformation de la carte, au décollement des couches et au développement de fissures.
Image 1 : Un boîtier QFN avec un grand dissipateur thermique.
2、Lignes directrices pour la disposition des plaques à courant élevé
Des directives spécifiques doivent être suivies lors de la disposition des plaques à courant élevé. Elles sont énoncées et expliquées ci-dessous.
Garder les traces de courant élevé courtes
Une longue trace aura une valeur de résistance plus considérable. Combinée au fait qu’elle transporte un courant important, cette résistance entraîne une perte de puissance significative.
Ensuite, la perte de puissance peut provoquer beaucoup de chaleur, et la durée de vie de la carte est réduite.
Il est donc essentiel de garder les chemins de courant étendus aussi courts que possible.
Calcul de la largeur des traces avec une élévation de température appropriée
La largeur d’une trace est fonction de paramètres tels que le courant qui la traverse, la résistance et l’élévation de température autorisée.
Une valeur stricte de l’élévation de température autorisée est d’environ 10′ C. Cependant, cela conduit à une largeur de trace élevée. Si votre conception et le matériau de la carte peuvent supporter des températures plus élevées, il est alors possible d’avoir une élévation de température de 20°C, ce qui entraîne une largeur de trace moins importante pour le même courant.
Des valeurs plus élevées d’élévation de température autorisée peuvent être utilisées lorsque le produit est censé être utilisé dans un environnement où les températures ambiantes ne sont pas trop élevées.
Il s’agit d’isoler thermiquement les composants sensibles de la chaleur.
De nombreux composants électroniques, tels que les convertisseurs analogiques-numériques, les références de tension et les opamps, sont sensibles aux changements de température. Leur signal peut changer si l’élément se réchauffe ou se refroidit.
Comme les cartes à courant élevé produisent inévitablement de la chaleur, ces composants doivent être isolés thermiquement dans une certaine mesure afin de ne pas être affectés par la chaleur produite par la carte.
Une méthode pour y parvenir consiste à verser un polygone sous ce composant et à prévoir des connexions de décharge thermique.
Une autre méthode consiste à avoir des découpes de carte qui séparent les composants sensibles des parties qui produisent de la chaleur.
Image 2 : Une carte mère de PC qui transporte des courants importants vers le CPU.
3、Conseils de conception pour les cartes à courant fort
Voici quelques conseils de conception pour les cartes à courant élevé.
Enlever le masque de soudure
Il s’agit d’une méthode peu coûteuse ou plutôt gratuite pour augmenter la capacité de courant d’une trace.On peut enlever le masque de soudure d’une trace, ce qui expose alors le cuivre en dessous. On peut ensuite ajouter de la soudure supplémentaire sur la trace, ce qui augmentera son épaisseur et son volume et réduira la résistance.
Cela permettra alors de transporter plus de courant par cette trace sans augmenter la largeur de la trace ou payer un supplément pour une épaisseur de cuivre supplémentaire.
Image 3 : PCB avec une section du masque de soudure sur une trace enlevée et soudure supplémentaire ajoutée.
Utilisation de coulées polygonales sous des composants à courant élevé.
Les composants individuels, tels que les grands FPGA et les processeurs, ont des besoins en courant importants et de nombreuses broches d’alimentation. Ils sont également souvent fournis dans des boîtiers BGA et LGA.
Une astuce pour leur fournir rapidement suffisamment de courant consiste à placer des coulée de polygones carrés juste sous la puce et à faire descendre des Vias qui s’y connectent. Vous pouvez ensuite cliquer sur la coulée de polygones pour obtenir des traces d’alimentation épaisses.
Image 4 : Versement d’un grand polygone sous une puce BGA pour une capacité de courant élevé
Utilisation de couches internes pour les chemins de courant élevé
Si vous manquez d’espace pour des traces épaisses sur les couches externes, il est souvent excellent d’avoir un remplissage solide dans une couche interne et d’utiliser ensuite des vias pour se connecter à des dispositifs à courant élevé sur les couches externes.
Ajout de barres de cuivre pour les courants très élevés
Dans des applications spécifiques telles que les onduleurs à haute puissance et les automobiles électriques, le courant peut souvent atteindre 100 A ou plus. Dans de tels cas, il devient inutile d’utiliser des traces.
Une pratique courante consiste à utiliser des barres de cuivre soudables qui se soudent sur les pastilles d’un PCB et transportent la majeure partie du courant élevé. Comme les barres sont beaucoup plus épaisses que les traces sur un PCB, elles peuvent facilement supporter un tirage plus important que les traces ordinaires tout en ayant à peu près la même largeur.
Ajout d’un piquage de via pour plusieurs pistes transportant des courants importants
Si une trace ne peut pas transporter le courant requis à travers une seule couche, le même chemin peut être acheminé sur une couche supplémentaire, puis la couture de via peut être effectuée entre les deux couches. Cela double effectivement la capacité de transport de courant en supposant que les deux traces sur les différentes couches ont la même largeur.
Une vidéo expliquant le processus peut être vue ici :
4、 Ce que notre PCB peut offrir pour les cartes à courant élevé
Service de prototypage rapide :
Les cartes à courant élevé nécessitent souvent plusieurs révisions avant de passer une commande finale importante.
wellpcb offre un service de prototypage rapide, et vous pouvez commander en ligne en soumettant vos conceptions pour un faible coût et obtenir votre PCB fabriqué dans un court délai.
Nous pouvons produire des rotations rapides pour respecter une livraison en 24 heures pour les PCB double face et en 48 heures pour les cartes à 4 ou 8 couches.
Même une carte à 10 couches peut être terminée en 120 heures.
Système de devis en ligne rapide
Les clients doivent souvent attendre pour obtenir un devis et n’ont pas une idée précise du prix. OurPCB offre un système de devis en ligne, et vous pouvez voir le coût exact de votre PCB. Vous pouvez choisir des options pour différentes épaisseurs de cuivre, et le prix sera mis à jour en temps réel.
Matériaux de qualité supérieure
OurPCB offre une sélection de matériaux de PCB qui peuvent supporter des températures plus élevées et sont parfaits pour la conception de courant élevé.
5、Conclusion
Les PCB à courant élevé sont tout au sujet d’un processus de conception minutieux et de l’utilisation efficace de toutes les fonctionnalités et de l’espace embarqué.
Ces types de cartes sont devenus plus courants ces derniers temps et continueront à l’être.
Pour plus d’informations, vous pouvez nous contacter immédiatement, et nous serons heureux de vous servir.
