Hohe Stromstärken und höhere Temperaturen: PCB-Design-Tipps für das Wärmemanagement

September 23, 2019 Altium Designer

Overheated PCBs can catch on fire)Ich erinnere mich noch an das erste (und hoffentlich letzte) Mal, als einer meiner Schaltkreise in Brand geriet. Es begann mit den Widerständen und breitete sich schnell auf einen benachbarten Kondensator aus. Glücklicherweise hielt sich die Zerstörung in Grenzen und die meisten Komponenten waren wiederverwendbar. Möchten Sie wissen, warum das passiert ist? Nein, es lag nicht an einem Kurzschluss, sondern hatte einen ganz einfachen Grund: Ich hatte die hohe Stromstärke beim PCB-Design nicht berücksichtigt.

Je mehr die Elektronik miniaturisiert wird und je mehr Funktionen in immer kleinere Geräte gepackt werden, desto weiter steigen die thermischen Anforderungen in diesen Systemen.. Dies gilt insbesondere für Leiterplatten, die mit hohen Stromstärken arbeiten. Stromquellen mit hohem Output, wie z.B. Li+-Ionen-Batterien in Elektrofahrzeugen, erfordern integrierte Leistungssteuerungssysteme, die auf Leiterplatten aufgebaut sind. Designer müssen kreative Strategien entwickeln, um die in diesen Hochstrom-Leiterplatten erzeugte Wärme zu managen.

Prinzipiell sollte die Wärme, die durch Verlustleistung in Hochstromkreisen erzeugt wird, vom Gerät weggeleitet werden, um eine Überhitzung zu verhindern. Jeder ist wahrscheinlich mit Lüftern und Kühlkörpern vertraut, die auf Computerprozessoren verwendet werden. Diese Systeme transportieren im Wesentlichen Wärme weg von der Platine und tauschen sie gegen bewegte Luft aus. Bei einigen PCB-Geräten, insbesondere bei Geräten mit geringem Formfaktor, ist es jedoch eventuell nicht möglich, einen Lüfter oder einen sperrigen Kühlkörper zu integrieren.

Dickere Leiterbahnen für höhere Stromstärken: Tipps für das PCB-Design

Der Widerstand von Kupferbahnen und Durchkontaktierungen führt bei PCB-basierten Geräten zu erheblichen Leistungsverlusten und Abwärme, insbesondere bei hohen Stromstärken. Elektrische Verbindungen mit einer größeren Querschnittsfläche haben einen geringeren Widerstand, was die Wärmeverluste reduziert.

Die in den meisten Leiterplatten verwendete Kupfermenge entspricht etwa 1 Unze. pro Quadratfuß. Wenn die Integration von Lüftern oder Kühlkörpern nicht möglich ist, sollte für eine für hohe Stromstärken ausgelegte Leiterplatte mindestens doppelt so viel Kupfer verwendet werden. Im Fall von Stromkreisen, die mit mehr als 10 Ampere betrieben werden, sollten bis zu 3 oder 4 Unzen pro Quadratfuß verwendet werden.

Bei Verwendung einer großen Menge an Kupfer muss die Breite der Leiterbahnen auf der Leiterplatte vergrößert werden. Um den Verlust von Nutzfläche zu vermeiden, können die Leiterbahnen tiefer in die Leiterplatte gelegt werden. Dies hilft auch dabei, Wärme an die Leiterplatte selbst und an benachbarte thermische Durchkontaktierungen abzuleiten. Natürlich wird dies wahrscheinlich den Einsatz einer dickeren Platine erfordern, was bei Hochstromgeräten wünschenswert sein kann.

Thermische Durchkontaktierungen und Kühlkörper

Wärme kann nicht effizient abgeleitet werden, wenn die Luft um ein heißes Gerät herum steht. Aber die Wärmeübertragung kann über thermische Durchkontaktierungen weg von den kritischen elektrischen Komponenten auf der Leiterplatte erfolgen. Ein thermisches Via ist ein Wärmeleiter, der zwischen der Ober- und Unterseite der Platte verläuft und die Wärme von den kritischen elektronischen Komponenten ableitet.

Ein Kühlkörper ist im Grunde genommen eine Metallplatte, die auf der Unterseite der Leiterplatte montiert ist. Nachdem thermische Durchkontaktierungen die Wärme von den heißesten Stellen auf der Leiterplatte weggeleitet haben, muss sie weiter übertragen werden, damit eine kontinuierliche Wärmeabfuhr von den Hitzequellen auf der Leiterplatte gewährleistet ist. Zu diesem Zweck transportieren die thermischen Durchkontaktierungen die Wärme zum Kühlkörper, , der sich im Idealfall nicht an einer potenziellen Fehlerstelle der Leiterplatte befindet.

 

Infrared image of a PCB board running at high current 

Infrarotbild einer Hochstrom-Leiterplatte

 

Platzierung von Hochleistungskomponenten

Hochstrom-Elektronikkomponenten wie Mikrocontroller können eine erhebliche Menge an Wärme erzeugen. Es ist eine gute Idee, diese Komponenten in der Nähe der Mitte der Leiterplatte zu platzieren, wenn Sie Ihr Design entwerfen. Dies gilt insbesondere für Halbleiterkomponenten, die ein PowerPAD-Paket verwenden.

Wenn ein Bauteil in der Nähe des Randes der Platte montiert wird, sammelt sich die von ihm erzeugte Wärme dort und die lokale Temperatur kann sehr hoch sein. Wenn das Bauteil jedoch in der Mitte der Platine montiert wird, kann die Wärme über die gesamte Platine diffundieren, und die Temperatur der Platine ist niedriger.

Wenn Ihre Design mehrere Hochleistungskomponenten umfasst, sollten diese auf dem gesamten Board verteilt und nicht an einer Stelle konzentriert werden. Es kann sogar besser sein, die Komponenten auf verschiedene Boards aufzuteilen, solange der Formfaktor des Geräts dies zulässt. Achten Sie immer auf die Platzierung der Komponenten, da dies einen großen Einfluss auf die Fertigungskosten haben kann.

 

Components arranged on a PCB

Anordnung der Komponenten auf einer Leiterplatte

Dickere Platinen

Die Lebensdauer der elektrischen Verbindungen, Komponenten und der Platine selbst wird verkürzt, wenn das Gerät bei extremen Temperaturen betrieben wird. Die Computerhardwareindustrie setzt Lüfter ein, um dieses Problem in den Griff zu bekommen. Wird jedoch kein Lüfter zur Kühlung verwendet, wird der größte Teil der Wärme direkt in die Platine und die umliegenden Komponenten geleitet. Wenn das Board sehr dünn ist, kann sich alles auf eine hohe Temperatur erwärmen.

Eine dickere Platte benötigt mehr Wärmeenergie, um sich auf eine hohe Temperatur zu erwärmen. Dies hilft, die Temperatur an der Oberseite des Boards niedrig zu halten. Wenn die Platine direkt an der Verpackung montiert wird, kann Wärme an die Außenseite des Gerätes geleitet werden. Diese Lösung bringt aber höhere Produktionskosten mit sich.

Welche Strategie zur Wärmeableitung sich am besten für Ihr Design eignet, hängt von einer Reihe von Faktoren ab. Die oben beschriebenen Methoden können nicht in allen Designs oder Formfaktoren angewendet werden. So sind beispielsweise Kühlkörper für doppelseitige Leiterplatten nicht geeignet. Und wenn eine große Anzahl von Komponenten auf der Platine vorhanden ist, werden einige von ihnen zwangsläufig in der Nähe des Randes der Platine platziert.

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Über den Autor

Altium Designer

PCB Design Tools for Electronics Design and DFM. Information for EDA Leaders.

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