Leiterplatten für Hochstromanwendungen

| Autor / Redakteur: Dirk Müller * / Gerd Kucera

Ziele der Power Delivery Analyse ist das Lokalisieren von Hot Spots und die Bestimmung von Stromdichte und Temperaturen
Ziele der Power Delivery Analyse ist das Lokalisieren von Hot Spots und die Bestimmung von Stromdichte und Temperaturen (Bild: FlowCAD)

Durch die niedrigen Versorgungsspannungen der Digitaltechnik fließen auf der PCB Ströme bis zu 50 A. Um diese hohen Stromstärken sicher zu transportieren, bedarf es ausgefeilter Techniken.

Bei Hochstromanwendungen denkt man im ersten Moment an IGBT-Schaltungen in der Leistungselektronik, die große Motoren ansteuern. Aber dieses Denken in Schubladen ist leider vorbei. Mit fortschreitender Miniaturisierung und Reduktion der Versorgungsspannungen in Digitalschaltungen steigen auch hier die Ströme für die einzelnen Komponenten. Die Designregeln aus der 200-Ampere-Liga auf Leiterplatten lassen sich aber auch auf normale FPGA- und Mikrocontroller-Schaltungen übertragen.

Auch bei hohen Strömen gilt das Ohmsche Gesetz, dass den Zusammenhang von Strom, Spannung und elektrischem Widerstand beschreibt. Für den elektrischen Verbraucher sind die Wert des Stroms und der Spannung wichtig und müssen in vorgegebenen Toleranzen anliegen. Die Zuleitung über die Leiterplatte darf also keinen zu großen Widerstand haben, damit nicht zu viel Energie in Wärme umgewandelt wird und es zu Spannungseinbrüchen am Verbraucher kommt. Bei Gleichstromanwendungen berechnet sich der Widerstand aus der Leitungslänge geteilt durch das Produkt aus elektrischer Leitfähigkeit und Leitungsquerschnitt.

Leider ist auch noch die Temperaturabhängigkeit des Widerstands auf der Leiterplatte über den elektrischen Temperaturkoeffizienten (α) zu berücksichtigen. Damit ist die Formel nichtlinear und die Gültigkeit von Faustformeln sind eingeschränkt. Hierbei spielen die Umgebungstemperatur und die Eigenerwärmung der stromdurchflossenen Leiterbahn eine wichtige Rolle. Die Berechnung des Widerstandes erfolgt gemäß der Formel Rt = R20 [ 1 + α (treal - 20) ] [Ω]. In der Theorie sehen die Formeln zwar einfach aus, aber in der Praxis sind Leitungsquerschnitte für Hin- und Rückstrom keine einfachen geometrischen Strukturen. Für eine exakte manuelle Berechnung über Formeln müsste für jede Änderung der Geometrie ein einzelner Teilwiderstand berechnet werden. Dies ist bei den Rückstrompfaden über Kupferflächen ohne Analysesoftware nicht möglich.

Bei manuellen Abschätzungen werden häufig vereinfachte Formeln aus der IPC-2152A-Richtlinie (Standard for Determining Current Carrying Capacity in Printed Board Design) verwendet, die bei entsprechender Dicke der Kupferlagen einer Leiterplatte dann Werte für die minimale Breite für die Kupferverbindung angibt. Rückströme werden hierbei über spezielle Leitungen geführt oder die Masseflächen als ideale Flächen angenommen. Diese Ergebnisse der Faustformeln werden aber zusätzlich mit hohen Sicherheitsmargen ausgestattet, um nichtlineare Effekte und ein Wärmespreizung auf der Leiterplatte von anderen Strömen zu kompensieren. Das führt in der Regel zu überdimensionierten Leitungsbreiten und zu einem zu hohen Platzbedarf auf der Leiterplatte.

Aussparungen der PCB werden in der Rechnung berücksichtigt

Die echten Verhältnisse der Stromdichteverteilung auf Leiterplatten lassen sich mit 3D-Field-Solvern exakt analysieren und anzeigen. Mit dem 3D-Field-Solver von Sigrity PowerDC werden die elektrischen Verlustleistung der Verbraucher, der Strom über die Zuleitung und der Rückstrompfad über Versorgungslagen zu einer Simulation herangezogen.

Der Solver erstellt über finite Elemente (FEM) eine elektrische Ersatzschaltung die sowohl die Zuleitungen als auch die Kupferflächen berücksichtigt. Dabei werden Aussparungen wie Bohrungen, Wärmefallen, Trenngräben und Durchkontaktierungen in die detaillierten Rechenmodelle einbezogen. Als Ergebnis erhält man eine numerische und grafische Auswertung, wo es zu sogenannten Hotspots kommt. An diesen Hotspots ist der elektrische Widerstand höher und es kommt zu einem Abfall des Spannungspotenzials (IR-Drop) und zu lokaler Erwärmung. Die Software berücksichtigt dabei die thermische Leitfähigkeit von Isolationsmaterial (z.B. FR4) und dem elektrischen Leiter (z.B. Kupfer). Es lassen sich die exakten Spannungswerte und Temperaturen an jedem Punkt der Leiterplatte ablesen. Aus diesen Erkenntnissen der Simulation lassen sich dann geometrische Designregeln, wie etwa eine minimale Leiterbahnbreite für die Zuleitungen ableiten, die mit einer Online-Prüfung im PCB-Layout-System geprüft werden. An den Stellen in den Kupferflächen an denen es zu Hotspots kommt, kann die Struktur der Fläche oder die geänderte Anordnung von Durchkontaktierungen manuell geändert werden.

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