Elektronik ürünler sürekli olarak yüksek güce ve yüksek performansa doğru ilerlemektedir. Elektrikli araçlara yönelik şarj sistemlerinden endüstriyel ekipmanlara yönelik yüksek-güçlü güç modüllerine kadar, yüksek-güçlü elektronik uygulamalar, devrelerin mevcut taşıma kapasitesi konusunda katı talepler oluşturmuştur. Kalın bakır PCB kartları, mükemmel akım taşıma özellikleri nedeniyle bu gereksinimleri karşılamak için önemli bir teknik destek haline gelmiştir.
Tanımı ve avantajlarıkalın bakır PCB kartı
Kalın bakır PCB kartı genellikle geleneksel 1oz'dan (yaklaşık 35 μm) daha büyük bir bakır folyo kalınlığına sahip bir PCB kartını ifade eder. Yaygın kalınlıklar arasında 2oz (yaklaşık 70 μm), 3oz (yaklaşık 105 μm), 4oz (yaklaşık 140 μm) vb. bulunur. Sıradan PCB kartlarla karşılaştırıldığında, kalın bakır PCB kartlar akım taşıma kapasitesinde önemli avantajlara sahiptir. Ohm Yasasına göre, bir iletkenden akım geçtiğinde oluşan ısı, iletkenin direnciyle orantılıdır, direnç ise iletkenin kesit alanıyla ters-oranlıdır. Daha kalın bakır folyo ve iletkenlerin daha büyük kesit alanı nedeniyle kalın bakır PCB kartları, direnci önemli ölçüde azaltır ve daha büyük akımlar taşıyabilir, böylece devredeki güç kaybını ve ısınma olayını etkili bir şekilde azaltır.
Akım taşıma kapasitesini etkileyen temel faktörler
Bakır folyo kalınlığı: Bakır folyo kalınlığı, akım taşıma kapasitesini belirleyen temel faktördür. IPC-2221 standardı, standart bir ortamda (ortam sıcaklığı 25 derece C, maksimum sıcaklık artışı 10 derece C) pcb izlerinin akım taşıma kapasitesini hesaplamak için ampirik bir formül sağlar: I=k × (Wb × Tc), burada I izin verilen maksimum akımdır, W tel genişliğidir, T bakır kalınlığıdır ve k, b ve c ampirik sabitlerdir (iç veya dış katman olmasına bağlı olarak). Diğer sabit koşullar altında bakır folyo kalınlığındaki artışın akım taşıma kapasitesini önemli ölçüde arttırdığı formülden açıkça görülebilmektedir. Örneğin, 1 ons bakır kalınlığı tipik olarak yaklaşık 1 A/mm'lik bir akım taşıyabilirken, 2 ons bakır kalınlığı akım taşıma kapasitesini önemli ölçüde artırır.
Tel genişliği: Tel genişliğinin de akım taşıma kapasitesi üzerinde önemli bir etkisi vardır. Daha geniş bir kablo daha geniş bir akım yolu sağlayabilir, akım yoğunluğunu azaltabilir ve ısı oluşumunu en aza indirebilir. Pratik mühendislikte telin genişliği arttıkça pcb'nin akım taşıma kapasitesi artar, ancak bu tam olarak doğrusal bir artış değildir, ancak artış giderek azalır. Örneğin, 10 derecelik bir sıcaklık artışı altında, 1 ons bakır kalınlığında ve 100 mil (2,5 mm) tel genişliğinde bir devre kartı 4,5 A'lık bir akımı geçebilir. Tel genişliği arttıkça akım taşıma kapasitesinin iyileşme hızı yavaşlar.
Çevre sıcaklığı ve ısı dağılımı koşulları: Çevre sıcaklığı ve ısı dağılımı koşullarının kalın bakır PCB kartlarının mevcut taşıma kapasitesi üzerindeki etkisi göz ardı edilemez. Ortam sıcaklığı yükseldiğinde bakırın elektriksel direnci artar, hat direnci artar ve aynı akım altında daha fazla ısı üretilir. Isı emicilerin eklenmesi, basınçlı hava soğutması veya sıvı soğutmanın kullanılması gibi iyi ısı dağıtım koşulları, PCB kartının sıcaklığını etkili bir şekilde azaltabilir ve mevcut taşıma kapasitesini artırabilir. Örneğin, yüksek-güçlü elektronik cihazlarda, kalın bakır PCB kartları üzerine geniş-alanlı ısı emiciler kurmak ve basınçlı hava soğutması için fanlar kullanmak, yüksek-sıcaklıktaki ortamlarda mevcut taşıma kapasitelerini önemli ölçüde artırabilir ve ekipmanın kararlı çalışmasını sağlayabilir.
Akım taşıma kapasitesinin hesaplanması ve değerlendirilmesi
Standart formüllere dayalı hesaplama: IPC-2221 standart formülünde daha önce de belirtildiği gibi, bilinen bakır folyo kalınlığı, tel genişliği ve devre kartının iç veya dış katman olduğunun belirlenmesi ile akım taşıma kapasitesi ön olarak tahmin edilebilir. Ancak bu formül belirli standart ortamlar altında türetilmiştir ve pratik uygulamalarda hesaplama sonuçlarının ortam sıcaklığı ve ısı yayılım koşulları gibi faktörlere göre düzeltilmesi gerekir.
Simülasyon analizi: Profesyonel elektronik tasarım otomasyon yazılımı, kalın bakır PCB kartlarının mevcut taşıma durumunu simüle etmek için kullanılabilir. Yazılım, doğru bir devre kartı modeli oluşturarak ve gerçek çalışma koşulları altında akım, sıcaklık ve ısı dağılımı gibi parametreleri ayarlayarak, PCB kartı üzerindeki akımın dağılımını, çeşitli parçalardaki sıcaklık değişikliklerini ve potansiyel sıcak nokta alanlarını sezgisel olarak görüntüleyebilir ve mevcut taşıma kapasitesinin değerlendirilmesi için daha doğru ve ayrıntılı veri desteği sağlayabilir.
Gerçek test ve doğrulama: Ürün geliştirme süreci sırasında numunelerin alınması ve gerçek testlerin yapılması, mevcut taşıma kapasitesinin doğrulanması açısından önemli adımlardır. Örneğe farklı seviyelerde akım uygulayarak PCB kartının sıcaklık değişimleri ve devre voltajı düşüşleri gibi parametreleri izlemek, bunları teorik hesaplamalar ve simülasyon sonuçlarıyla karşılaştırmak, tasarımı daha da optimize ederek kalın bakır PCB kartlarının pratik uygulamalarda akım taşıma gereksinimlerini karşılayabilmesini sağlamak.
Uygulama senaryolarında akım taşıma performansı
Güç elektroniği ekipmanı: Kalın bakır PCB kartları, güç çeviricileri ve elektrikli araç şarj istasyonları gibi yüksek-güçlü elektronik ekipmanlarda önemli bir rol oynar. Elektrikli araç şarj istasyonlarını örnek alırsak, şarj güçleri ilk zamanlarda birkaç kilovattan günümüzde onlarca kilovata ve hatta daha yükseğe kadar sürekli olarak artmaktadır. Yüksek akımın istikrarlı ve verimli iletimini sağlamak için şarj istasyonunun içindeki güç devresinde genellikle kalın bakır PCB kartları kullanılır. Makul bir kablolama tasarımıyla birlikte 4 ons kalınlığında bir bakır PCB kartı kullanılırsa, yüzlerce amperlik şarj akımını kolayca taşıyabilir ve şarj istasyonunun elektrikli araçları hızlı ve güvenilir bir şekilde şarj edebilmesini sağlar.
Endüstriyel Kontrol ve Otomasyon: Yüksek güçlü motor sürücüleri, frekans dönüştürücüler ve endüstriyel ortamlardaki diğer ekipmanlar, büyük çalışma akımları nedeniyle yüksek güvenilirlik gerektirir. Kalın bakır PCB kartları, yüksek akım taşıma kapasiteleri ve iyi mekanik dayanımları ile karmaşık endüstriyel ortamlarda stabil bir şekilde çalışabilir. Büyük motor sürücü sistemlerinde, kontrol devreleri ve güç iletim devreleri olarak kalın bakır PCB kartlarının kullanılması, aşırı akımın neden olduğu hat arızalarını etkili bir şekilde azaltabilir, ekipman stabilitesini ve üretim verimliliğini artırabilir.
İletişim baz istasyonu güç sistemi: 5G iletişim teknolojisinin yaygınlaşmasıyla birlikte iletişim baz istasyonlarının güç talebi önemli ölçüde arttı. Baz istasyonu güç sistemi, kararlı güç kaynağı sağlamak için yüksek akım taşıyabilen bir PCB kartı gerektirir. İletişim baz istasyonu güç modüllerinde kalın bakır PCB kartlarının uygulanması, yüksek akım taşıma gereksinimlerini karşılayabilirken, iyi ısı dağıtma performansı, ekipman sıcaklığının azaltılmasına, güç sistemlerinin güvenilirliğinin ve hizmet ömrünün artırılmasına ve iletişim baz istasyonlarının 24 saat kesintisiz çalışmasının sağlanmasına yardımcı olur.
Kalın bakır PCB kartı için akım taşıma tasarımının önemli noktaları
Makul kablolama planlaması: Kalın bakır PCB kartları tasarlanırken, devre direncini ve endüktansını azaltmak için yüksek akım devrelerinin uzunluğu mümkün olduğunca kısaltılmalıdır. Aynı zamanda, akımın düzgün geçişini sağlamak için hatta keskin dönüşlerden veya dar tıkanıklıklardan kaçının. Çok-katmanlı bir kart tasarımı kullanırken, güç ve zemin katmanlarını makul şekilde tahsis etmek, mevcut yolları optimize etmek ve akım dağıtımını dengelemek önemlidir.
Açık deliklerin sayısını artırın: Çok-katmanlı kalın bakır PCB kartlarında, açık delikler farklı bakır folyo katmanlarını bağlamak için anahtar kanallardır. Yol sayısını makul ölçüde arttırmak, akımın katmanlar arasındaki iletim direncini etkili bir şekilde azaltabilir, akım dağılımını dengeleyebilir ve aşırı yerel akım yoğunluğu sorununu azaltabilir. Örneğin, yüksek akım yönlendirme alanlarında, bir geçiş dizisi oluşturmak için düzenli aralıklarla birden fazla geçişin ayarlanması, akım taşıma kapasitesini önemli ölçüde artırabilir.