Leiterplatten-Design

Leiterbahnstrukturen für Hochstromanwendungen mit dem Design-Tool Allegro PCB optimieren

04.06.2010 | Autor / Redakteur: Dirk Müller* / Gerd Kucera

(K)Eine einfache Aufgabe: SMT-Bauteile und Ströme bis 125 A auf gleichem Board
(K)Eine einfache Aufgabe: SMT-Bauteile und Ströme bis 125 A auf gleichem Board

Hohe Ströme auf Leiterplatten zu führen scheint auf den ersten Blick nicht schwierig. Doch ein genügend großer Kupferquerschnitt braucht ausreichend Platz. Und der ist auf miniaturisierten Boards nicht selbstverständlich. Wie durch geschicktes Layout dennoch wenig Platz ausreicht, zeigt dieser Beitrag.

Viele Firmen gehen heute neue Wege, um den Platzbedarf auf einer Leiterplatte zu optimieren und dennoch den geforderten Leitungsquerschnitt sicherzustellen. Hohe Ströme treten nicht nur in modernen gedruckten Schaltungen wie Solar- und Windkraftanlagen oder Elektroautos auf, sondern auch in Schaltnetzteilen oder Leistungselektronik und heute sogar in Low-Power-Computertechnik, also in fast allen Anwendungen.

Leitungsquerschnitt an die Stromdichte anpassen

Der geeignete Leitungsquerschnitt ist abhängig vom maximal zu erwartenden Strom und der maximalen Erwärmung gegenüber der Umgebungstemperatur. Genaue Formeln sind in der IPC-2152A-Richtlinie beschrieben. Entsprechend der Dicke der Kupferlagen einer Leiterplatte ergibt sich dann eine minimale Breite für die Kupferverbindung.

Mit steigender Miniaturisierung von Steuer- und Regelschaltungen müssen aber sensible SMT-Bauteile auf der gleichen Leiterplatte verbunden werden, auf der auch hohe Ströme von 10 bis 125 A fließen. Dies stellt die Entwickler vor verschiedene Herausforderungen. Zum einen müssen die Leitungsquerschnitte so großzügig wie möglich dimensioniert werden, damit es nicht zu einer Überhitzung bei den Leitungen mit hohen Strömen kommt. Zum anderen sind Sicherheitsabstände zu sensiblen Leitungen der Regelschaltung einzuhalten. Soweit einfache Vorgaben.

Ergänzendes zum Thema
 

Sensible Chips und hohe Ströme in einem Design

Jetzt kommt aber hinzu, dass für die feinen Leiterstrukturen von SMT-Bauteilen nicht mehr 70 µm dicke Lagen verwendbar sind, sondern auf 35-µm-Technologie gewechselt werden sollte, damit sich die FPGAs und Microcontroller optimal verschalten lassen. Das bedeutet für die stromführenden Leitungen eine Verdopplung ihrer Leiterbahnbreite und mehr Platzbedarf.

Zwei naheliegende Alternativen

Weil die SMT-Feinstleiter auf der Lötseite (Top/Bottom) sein sollen, wäre es denkbar, einen unsymmetrischen Lagenaufbau mit 35 µm auf der Oberseite für SMT-Technik und 70/105 µm auf der Unterseite für Stromanforderungen zu wählen. Aber dies scheidet meist wegen der erhöhten Kosten für den unsymmetrischen Aufbau sowie der Einschränkung, SMT-Bauteile nur auf einer Seite bestücken zu können, aus.

Eine weitere Alternative, die stromführenden Leitungen nur auf den Innenlagen zu verlegen würde aber das thermische Verhalten negativ beeinflussen, da es im Inneren der Leiterplatte einen höheren Temperaturanstieg gibt und sich die Kühlung nur durch wiederum erhöhten Platzbedarf lösen lässt.

Inhalt des Artikels:

Kommentar zu diesem Artikel abgeben

Schreiben Sie uns hier Ihre Meinung ...
(nicht registrierter User)

Zur Wahrung unserer Interessen speichern wir zusätzlich zu den o.g. Informationen die IP-Adresse. Dies dient ausschließlich dem Zweck, dass Sie als Urheber des Kommentars identifiziert werden können. Rechtliche Grundlage ist die Wahrung berechtigter Interessen gem. Art 6 Abs 1 lit. f) DSGVO.
Kommentar abschicken
copyright

Dieser Beitrag ist urheberrechtlich geschützt. Sie wollen ihn für Ihre Zwecke verwenden? Kontaktieren Sie uns über: support.vogel.de/ (ID: 349170 / Leiterplatten-Design)