Pentru a livra tensiunea de alimentare specificată încărcăturilor de pe PCB-urile de curent înalt și de joasă tensiune de astăzi, proiectanții trebuie să minimizeze căderea IR înțelegând soluțiile disponibile și compromisurile lor.

În ciuda disponibilității și utilizării pe scară largă a componentelor cu consum redus de energie, plăcile de circuite imprimate de astăzi (PCB) pot necesita o cantitate semnificativă de curent, plăcile consumând 50, 100 și chiar 200 A în utilizare obișnuită. Ori de câte ori curentul este livrat la o sarcină, va exista o cădere de tensiune bazată pe IR, iar proiectanții trebuie să țină seama de această pierdere atunci când așeză placa și plasează sursa de alimentare, șinele de alimentare de curent continuu și sarcinile.

Pentru o funcționare consecventă și fiabilă, este important să vă asigurați că această cădere nu împinge aceste tensiuni ale șinei de curent continuu la capătul inferior al benzii lor minime/maxime. De obicei, este plus/minus câteva procente din valoarea nominală.

O privire rapidă asupra numerelor clarifică provocarea. „1 oz” standard cupru (așa-numitul deoarece cântărește 1 oz pe picior pătrat) pe un laminat PCB, cum ar fi FR-4, are o grosime de 35 µm; 2 oz. cuprul este de două ori mai gros, desigur, iar cuprul „subțire” este la jumătate mai gros. Folosind 1 oz. cupru, de exemplu, o urmă de 10 cm lungime, 1 mm lățime va avea o rezistență de aproximativ 50 m) (rezistența cuprului este de 1,74 × 10 -8 Ω⋅m la 20 ° C). Există multe calculatoare de rezistență online la îndemână, precum cel de la Trance-Cat (Fig. 1).

sursei
1. Un desen dimensional simplu și o formulă sunt tot ceea ce este necesar pentru a calcula rezistența urmei PCB și, astfel, căderea IR. Multe calculatoare online sunt disponibile pentru a face din aceasta o sarcină banală. 04.30 Sursa: Trance-Cat

Dacă livrați 10 A prin această urmă, căderea IR este de aproximativ 500 mV (0,5 V), ceea ce este substanțial. Aceasta înseamnă că șina de curent continuu la sarcină este cu jumătate de volt mai mică decât la sursă și există, de asemenea, energie irosită (I 2 R) și disiparea căldurii însoțitoare. Rețineți că scăderea nu este o funcție a valorii tensiunii nominale a șinei - depinde doar de curent și rezistență. Prin urmare, o șină de 15 V vede aceeași pierdere ca o șină de 3 V, dar pierderea proporțională este mult mai mare la tensiunea mai mică.

Situația se poate agrava și mai mult. Unele modele utilizează un plan de masă cu rezistență redusă (adesea ca strat distinct de PCB) atât pentru solurile de semnal analogice cât și digitale și pentru solul de retur de curent continuu. Cu toate acestea, multe modele beneficiază de (sau necesită) căi de împământare separate pentru semnale și pentru împământarea electrică pentru a reduce la minimum zgomotul și pot folosi chiar și o cale separată de retur de curent continuu. În astfel de cazuri, căderea IR este efectiv dublată, cu o picătură pentru încărcarea șinei de ieșire a sursei și o a doua cădere pentru revenirea sarcinii curentului la sursă.

Depășirea IR Drop

Designerii au mai multe opțiuni pentru a reduce la minimum căderea IR:

  • Utilizați o șină de curent continuu de înaltă tensiune, cum ar fi o curent de 48 V sau 12/12 V c.c. într-un aranjament de convertor de magistrală intermediar (IBC), apoi utilizați mai multe convertoare de curent continuu local, punct de încărcare (PoL) plasate aproape de sarcini respective. Acest lucru rezolvă problema căderii IR (și reduce foarte mult captarea zgomotului pe șine, de asemenea), dar costă mai multe convertizoare DC-DC și imobile PCB. În ciuda acestui fapt, este o soluție utilizată pe scară largă și eficientă.
  • Reglați valoarea nominală a sursei de curent continuu pentru a compensa în prealabil căderea IR. Aceasta este o „soluție” oarecum eficientă, dar aduce și unele riscuri.

-- Unele consumabile altfel foarte bune sau preferate nu sunt reglabile, deci trebuie să fie luate în considerare.

-- Dacă cererea de curent de încărcare scade în timpul utilizării (așa cum se întâmplă aproape întotdeauna), scăderea IR va scădea și ea, iar alimentarea ar putea efectiv furniza o tensiune pe șină prea mare.

-- Dacă o sursă de alimentare trebuie înlocuită pe teren, înlocuirea nu poate fi setată la tensiunea compensată sau nu poate fi reglată greșit, ducând la un circuit nefuncțional sau unul intermitent.

  • Folosiți teledetecția, o variantă a senzorului Kelvin pe care unele consumabile o susțin. Alimentarea are două conductoare suplimentare, astfel încât să poată detecta tensiunea la sarcină și să-și regleze dinamic ieșirea pentru a menține acea valoare în ciuda căderii IR și a schimbărilor de sarcină. Acest lucru este eficient, dar are și dezavantaje:

-- Răspunsul dinamic al buclei de feedback de detectare poate să nu fie suficient de rapid pentru a compensa sau poate fi prea rapid, depășește și oscilează.

-- Cablurile de detecție formează o buclă de feedback mare fizic, care poate ridica zgomotul sistemului și, astfel, poate provoca citirea greșită a valorii detectate; din nou, acest lucru poate induce chiar oscilația șinei de alimentare.

Luați în considerare alte soluții

Toate aceste opțiuni sunt utilizate și toate pot funcționa în condiții bine definite și controlate, dar toate sunt „soluții” și „patch-uri” pentru o soluție mai bună din punct de vedere tehnic și mai robustă de minimizare a scăderii lor în primul rând . Din nou, există opțiuni și compromisuri:

Barele de bare vin într-o gamă largă de grosimi, straturi de înălțime, distanțarea pinilor și lungimi. De exemplu, o bară de bare oferită de E-Fab are două straturi de cupru separate de un izolator (Fig. 2). Straturile au o configurație a pinului PCB decalat, astfel încât pinii alternează puterea și împământarea.

2. Barele de bare pot face IR neglijabil în timp ce nu necesită aproape nici o zonă de bord. De asemenea, rigidizează PCB-ul împotriva flexării, o considerație care este adesea ignorată la început (dar nu ar trebui să fie). (Sursa: E-Fab Inc.)

Barele de bare oferă un alt beneficiu „gratuit”: rigidizează PCB-ul împotriva flexiei, ceea ce este o considerație pentru plăcile mai mari sau pentru cei din medii de vibrații (mil/aero, auto și multe altele). Unele modele utilizează o bară de comandă numai pentru sarcini cu curent mai mare, cum ar fi MOSFET-uri sau IBGT-uri. Acest lucru reduce costurile lor modeste și ușurează aspectele de aspect (dacă există) asociate cu barele bu, maximizând în același timp eficacitatea acestora.

Dintr-o perspectivă exclusiv electrică, asigurarea faptului că tensiunea nominală totală de la sursă ajunge la sarcină și o face cu pierderi nesemnificative de tensiune IR sau cu disiparea puterii I 2 R, este esențială pentru performanțe fiabile, non-intermitente. Fiecare soluție la această problemă are compromisuri și nu există un singur cel mai bun răspuns, dar dezavantajele fiecăruia ar trebui înțelese și evaluate cu atenție.