Spannungsverlust für Powerplane simulieren

[Torsten R. (tom365)]

Hallo Leute,

ich bin gerade dabei für mein aktuelles Projekt das Layout zu 
optimieren. Über eine Powerplane sollen etwa 25A laufen. Das alte Layout 
hatte diesbezüglich zu viele Engstellen und die Platine wurde bei 
derartiger Belastung warm. Ich hab nun verschienden Lösungen erarbeitet 
und würde diese gern im Vorfeld auf Ihre Tauglichkeit prüfen.
Nun mein Frage:
Mit welchen Programm kann man den Spannungsverlust  bzw. die 
Stromverteilung einer Powerplane oder Polygons  simulieren?
Besten Dank für Eure Anregungen im voraus.


mfg tom365

[Stefan W. (stefan_w234)]

PCB Investigator kann sowas. Kostet richtig Geld (fünfstellig), aber es 
gab auf Nachfrage immer eine uneingeschränkte Testversion für 30 Tage.

[Rainer W. (rawi)]

Torsten R. schrieb:
> Das alte Layout hatte diesbezüglich zu viele Engstellen und die Platine
> wurde bei derartiger Belastung warm.

Das sind zwei verschiedene Dinge. Die Engstellen führen zu lokal höheren 
Verlusten bezogen auf die Länge, d.h. kurze Engstellen sind thermisch 
relativ unkritisch, solange man nicht an die Grenzen der 
Stromtragfähigkeit kommt, weil die Wärme abfließen kann.

Die entstehende Wärme ist eine Frage der Gesamtverlustleistung und der 
Wärmeableitung von Hot-Spots (eben den Engstellen). Die Verteilung auf 4 
Layer bringt bei gleicher Kupferstärke nur etwas für den 
Leitungsquerschnitt, aber erhöht nicht die mögliche Verlustleistung. Die 
inneren Layer sind außerdem weniger belastbar als die äußeren, weil sie 
schlechter gekühlt sind. Vier Layer mit einer Kupfermenge von je 1oz/ft² 
sind aus thermischer Sicht fast gleichwertig mit zwei Layern mit je 
2oz/ft².

[Torsten R. (tom365)]

@Rainer W.
Danke für deine kleine Theoriestunde. Ich hab hier eine Platine mit dem 
ursprüngliche Layout real vor mir liegen zum testen und messen.
Im Anhang noch mal das ursprüngliche Layout. Die besagt Engstelle(gelb) 
wird bei 25A warm. Im mittleren Bild(weiß) den gemessenen 
Spannungsverlust an jeden Ausgangstreiber-IC. Ich würde gern den Verlust 
beim neuen Layout so gering wie möglich halten.  Den 18mV sind bei 25A 
auch schon 0,45W!

@Stefan W.
Danke für deine Info. Aber Unsummen für eine Software ausgeben die ich 
nur gelegendlich benötigt und dann noch die Einarbeitung macht 
wirtschaftlich wenig Sinn.
Schön wäre gewesen wenn jemand die entsprechende Software auf den 
Rechner hätte und mir mein Powerplane schnell mal durchsimulieren 
könnnte.

Als Alternative würde ich eine Testplatinen fertigen lassen, nur die 
Steckleisten bestücken, Ausgangstreiber einfach überbrücken , Spannung 
und Belastungswiderstände dranhängen und alles nachmessen. (Spannung, 
Temperatur)

[Flip B. (frickelfreak)]

Mess mal bei deinem Musterstück den spannungsabfall über die 
einspeise-vias. Vielleicht machen die schon den Großteil deiner 18mV 
aus. Ok Kurtaxe wird bezahlt, dann wird das vorgabe sein. Finde es 
wichtig zu wissen, an wen wir die informationen übermitteln, da Im 
zweifel ein paar mehr setzen.

[Torsten R. (tom365)]

Ein Via hat etwa ~1.5mOhm
Shunt-Widerstand -> 1.Via(Top Layer) = 4mV
1.Via(Top Layer) -> 1.Via(Bottom Layer)  =5mV
1.Via(Bottom Layer) -> 1.Treiber-IC = 9mV

25A auf 35µ Kupfer sind doch nicht mehr so einfach handhabbar.
Da hat man schon an den Bauteil-Pads Spannungsverlust.
Beim neuen Layout hab ich die Vias im Halbkreis um das Pad des 
Shunt-Widerstands angeordnet. Ich hoffe das mildert den Effekt.

[Andi (chefdesigner)]

Rainer W. schrieb:
> Vier Layer mit einer Kupfermenge von je 1oz/ft²
> sind aus thermischer Sicht fast gleichwertig mit zwei Layern mit je
> 2oz/ft².

Gilt aber nur für die flächige Kühlung. Der Gradient zum Abführen einer 
HOTSPOT-Leitung ist bei mehr Lagen definitiv besser.

Torsten R. schrieb:
> Mit welchen Programm kann man den Spannungsverlust  bzw. die
> Stromverteilung einer Powerplane oder Polygons  simulieren?

Wir haben das einst händisch gemacht und ein Widerstandsnetz eingeführt, 
es engmaschiger gemacht und simuliert gegen unendlich gehen lassen. Das 
führt einen auf in etwa  Strombeträge. Aufpassen muss man mit den 
Temperaturen: Wird eine Stelle warm, steigt der Widerstand und drängt 
den Strom an andere Stellen. Durch den limitierten Wärmeabfluss steigt 
die Temperatur dort trotzdem an und verschlechtert die Leitfähigkeit.

Für die sollte man durchgängig das Minimum bei Max-Temperatur ansetzen, 
wenn man händisch kalkuliert.

[Purzel H. (hacky)]

Fuer erhoehte Stroeme gibt es dicker Kupfer Leiterplatten. Bei den 
ueblichen Herstellern kann die Kupfer Dicke aus 35u, 70u, 105u waehlen. 
Gegen geringen Aufpreis. Ebenso gibt es Leiterplatten mit Kupfer-Inlay, 
dh Kupferkern. Ich hab schon welche mit 1mm dickem Kupfer gesehen. Das 
Loeten dieser ist eine andere Sache.
Ich wuerd mir dann auch Sorgen machen, wie ich den Strom auf die Platte 
und wieder runter bringe. Dafuer gibt es aber Bauteile, zB von Wuerth. 
zB 
https://www.we-online.com/en/components/products/em/redcube_terminals, 
die koennen bis 300A auf die Leiterplatte bringen.

[Andi (chefdesigner)]

Purzel H. schrieb:
> Fuer erhoehte Stroeme gibt es dicker Kupfer Leiterplatten.

Bei einer Leiterplatte mit so wenigen Lagen, gibt es dann aber wieder 
Probleme mit anderen Signalen / Impedanzen.