Les produits électroniques évoluent constamment vers une puissance et des performances élevées. Des systèmes de recharge pour véhicules électriques aux modules d'alimentation haute-puissance pour équipements industriels, les applications électroniques haute-puissance ont imposé des exigences strictes en matière de capacité de charge de courant des circuits. Les cartes PCB en cuivre épais sont devenues un support technique clé pour répondre à ces exigences en raison de leurs excellentes caractéristiques de transport de courant.
Définition et avantages decarte PCB en cuivre épaisse
Une carte PCB en cuivre épaisse fait généralement référence à une carte PCB avec une épaisseur de feuille de cuivre supérieure à 1 oz conventionnelle (environ 35 µm). Les épaisseurs courantes incluent 2 onces (environ 70 μm), 3 onces (environ 105 μm), 4oz (environ 140 μm), etc. Par rapport aux cartes de circuits imprimés ordinaires, les cartes de circuits imprimés en cuivre épais présentent des avantages significatifs en termes de capacité de transport de courant. Selon la loi d'Ohm, la chaleur générée lorsque le courant traverse un conducteur est proportionnelle à sa résistance, tandis que la résistance est inversement proportionnelle à la section transversale du conducteur. Les cartes de circuits imprimés en cuivre épais, en raison d'une feuille de cuivre plus épaisse et d'une plus grande section transversale des conducteurs, ont une résistance considérablement réduite et peuvent transporter des courants plus importants, réduisant ainsi efficacement la perte de puissance et les phénomènes de chauffage sur le circuit.
Facteurs clés affectant la capacité de charge actuelle
Épaisseur de la feuille de cuivre : L’épaisseur de la feuille de cuivre est le facteur essentiel qui détermine la capacité de charge actuelle. La norme IPC-2221 fournit une formule empirique pour calculer la capacité de transport de courant des traces de circuits imprimés dans un environnement standard (température ambiante de 25 degrés C, augmentation de température maximale de 10 degrés C) : I=k × (Wb × Tc), où I est le courant maximal autorisé, W est la largeur du fil, T est l'épaisseur du cuivre et k, b et c sont des constantes empiriques (selon qu'il s'agit d'une couche interne ou externe). La formule montre clairement que, dans d’autres conditions constantes, une augmentation de l’épaisseur de la feuille de cuivre améliore considérablement la capacité de transport de courant. Par exemple, une épaisseur de cuivre de 1 once peut généralement transporter un courant d'environ 1 A/mm, tandis qu'une épaisseur de cuivre de 2 onces augmente considérablement sa capacité de transport de courant.
Largeur du fil : la largeur du fil a également un impact significatif sur la capacité de transport de courant. Un fil plus large peut fournir un chemin de courant plus large, réduire la densité de courant et minimiser la génération de chaleur. En ingénierie pratique, à mesure que la largeur du fil augmente, la capacité de transport de courant du circuit imprimé s'améliore, mais il ne s'agit pas d'une augmentation strictement linéaire, mais l'augmentation diminue progressivement. Par exemple, sous une élévation de température de 10 degrés C, un circuit imprimé avec une épaisseur de cuivre de 1 oz et une largeur de fil de 100 mil (2,5 mm) peut laisser passer un courant de 4,5 A. À mesure que la largeur du fil augmente encore, la vitesse d’amélioration de la capacité de transport de courant ralentit.
Conditions de température ambiante et de dissipation thermique : L'impact de la température ambiante et des conditions de dissipation thermique sur la capacité de charge actuelle des cartes de circuits imprimés en cuivre épais ne peut être ignoré. Lorsque la température ambiante augmente, la résistivité électrique du cuivre augmente, la résistance de ligne augmente et davantage de chaleur est générée sous le même courant. De bonnes conditions de dissipation thermique, telles que l'ajout de dissipateurs thermiques, l'utilisation d'un refroidissement par air forcé ou d'un refroidissement liquide, peuvent réduire efficacement la température de la carte PCB et améliorer sa capacité de charge actuelle. Par exemple, dans les appareils électroniques à haute -puissance, l'installation de -dissipateurs de chaleur de grande surface sur des cartes de circuits imprimés en cuivre épais et l'utilisation de ventilateurs pour un refroidissement par air forcé peuvent améliorer considérablement leur capacité de transport de courant dans des environnements à -température élevée et garantir un fonctionnement stable de l'équipement.
Calcul et évaluation de la capacité de charge actuelle
Calcul basé sur des formules standard : comme mentionné précédemment dans la formule standard IPC-2221, avec l'épaisseur connue de la feuille de cuivre, la largeur du fil et la détermination si le circuit imprimé est une couche interne ou externe, la capacité de transport de courant peut être estimée à titre préliminaire. Mais cette formule est dérivée d'environnements standards spécifiques et, dans les applications pratiques, les résultats des calculs doivent être corrigés en fonction de facteurs tels que la température ambiante et les conditions de dissipation thermique.
Analyse de simulation : un logiciel professionnel d'automatisation de la conception électronique peut être utilisé pour simuler la situation de transport actuelle des cartes de circuits imprimés en cuivre épais. En construisant un modèle de carte de circuit imprimé précis et en définissant des paramètres tels que le courant, la température et la dissipation thermique dans des conditions de travail réelles, le logiciel peut afficher intuitivement la répartition du courant sur la carte de circuit imprimé, les changements de température dans diverses parties et les zones de points chauds potentiels, fournissant ainsi un support de données plus précis et détaillé pour évaluer la capacité de charge actuelle.
Tests et vérifications réels : pendant le processus de développement du produit, la fabrication d'échantillons et la réalisation de tests réels sont des étapes importantes pour vérifier la capacité de charge actuelle. En appliquant différents niveaux de courant à l'échantillon, en surveillant les paramètres tels que les changements de température et les chutes de tension du circuit de la carte de circuit imprimé, en les comparant avec des calculs théoriques et des résultats de simulation, en optimisant davantage la conception pour garantir que les cartes de circuit imprimé en cuivre épais peuvent répondre aux exigences de transport de courant dans les applications pratiques.
Performances de transport de courant dans les scénarios d'application
Équipements électroniques de puissance : les cartes PCB en cuivre épais jouent un rôle clé dans les équipements électroniques de puissance-à haute puissance, tels que les onduleurs et les stations de recharge pour véhicules électriques. En prenant comme exemple les bornes de recharge pour véhicules électriques, leur puissance de recharge n’a cessé d’augmenter, passant de quelques kilowatts au début à des dizaines de kilowatts, voire plus, aujourd’hui. Afin d'assurer une transmission stable et efficace d'un courant élevé, le circuit d'alimentation à l'intérieur de la station de recharge utilise généralement des cartes PCB en cuivre épaisses. Si une carte PCB en cuivre de 4 onces d'épaisseur est utilisée, combinée à une conception de câblage raisonnable, elle peut facilement transporter des centaines d'ampères de courant de charge, garantissant ainsi que la station de recharge peut charger les véhicules électriques de manière rapide et fiable.
Contrôle industriel et automatisation : les entraînements moteurs haute puissance, les convertisseurs de fréquence et autres équipements dans les environnements industriels nécessitent une fiabilité élevée en raison de leurs courants de fonctionnement élevés. Les cartes PCB en cuivre épais, avec leur capacité de charge de courant élevée et leur bonne résistance mécanique, peuvent fonctionner de manière stable dans des environnements industriels complexes. Dans les grands systèmes d'entraînement de moteur, l'utilisation de cartes PCB en cuivre épais comme circuits de commande et circuits de transmission de puissance peut réduire efficacement les pannes de ligne causées par un courant excessif, améliorer la stabilité de l'équipement et l'efficacité de la production.
Système d'alimentation des stations de base de communication : Avec la popularisation de la technologie de communication 5G, la demande en énergie des stations de base de communication a considérablement augmenté. Le système d'alimentation de la station de base nécessite une carte PCB capable de transporter des courants élevés pour garantir une alimentation électrique stable. L'application de cartes PCB en cuivre épais dans les modules d'alimentation des stations de base de communication peut répondre à leurs exigences de transport de courant élevé, tandis que de bonnes performances de dissipation thermique contribuent à réduire la température de l'équipement, à améliorer la fiabilité et la durée de vie des systèmes d'alimentation et à garantir un fonctionnement ininterrompu 24 heures sur 24 des stations de base de communication.
Points clés de la conception porteuse de courant pour les cartes de circuits imprimés en cuivre épais
Planification raisonnable du câblage : lors de la conception de cartes PCB en cuivre épais, la longueur des circuits à courant élevé doit être raccourcie autant que possible pour réduire la résistance et l'inductance du circuit. Dans le même temps, évitez les virages serrés ou les goulots d’étranglement étroits dans la ligne pour garantir un passage fluide du courant. Lorsque vous utilisez une conception de carte multi-couche, il est important d'allouer raisonnablement les couches d'alimentation et de masse, d'optimiser les chemins de courant et d'équilibrer la distribution du courant.
Augmentez le nombre de trous traversants : dans les cartes PCB multi-couches de cuivre épaisses, les trous traversants sont des canaux clés pour connecter différentes couches de feuille de cuivre. Augmenter raisonnablement le nombre de vias peut réduire efficacement la résistance de transmission du courant entre les couches, équilibrer la distribution du courant et réduire le problème d'une densité de courant locale excessive. Par exemple, dans les zones de routage à courant élevé, la configuration de plusieurs vias à intervalles réguliers pour former un réseau de vias peut améliorer considérablement la capacité de transport de courant.