High-Current PCBs: Zuverlässige Leiterplatten für schwere Lasten in der Elektronik

Seien wir ehrlich: Es ist frustrierend, wenn Ihre Schaltung explodiert oder fehlfunktioniert, nur weil sie die Stromanforderungen bestimmter Anwendungen nicht bewältigen kann. Die Frage ist: Was können Sie tun, um solche unregelmäßigen Schaltungsprobleme durch schwankende Stromstärken zu vermeiden? Die Antwort ist simpel: Besorgen Sie sich ein High-Current PCB. Doch die Erstellung eines solchen ist nicht so einfach wie bei Standard-PCBs.

Zum Glück lernen Sie in diesem Artikel, wie man ein High-Current PCB herstellt und mehr.

Sind Sie bereit? Dann legen wir los!

Was ist ein High-Current PCB?

Es gibt für jede Aufgabe oder Anwendung das passende Werkzeug – das gilt auch für High-Current PCBs. Diese Leiterplatten sind die erste Wahl für High-Current-Anwendungen.

Obwohl es keine spezifische Definition für High-Current PCBs gibt, könnte man sagen, es handelt sich um Schaltungen, die mit Bauteilen arbeiten, die hohe Ströme erzeugen.

Diese High-Current-Boards besitzen spezielle Eigenschaften, die sie langlebig und widerstandsfähig genug machen, um Ströme jenseits der regulären Ampere-Werte zu handhaben.

Diese Schaltungen können jedoch Designprobleme bereiten, besonders für Einsteiger. Tatsächlich gibt es mehrere Dinge beim Design zu beachten. Wenn Sie diese Faktoren nicht berücksichtigen, enden Sie mit Designfehlern und fehlerhafter Schaltungsfunktion.

Klingt hart? Keine Sorge! Im nächsten Abschnitt gehen wir die Grundlagen durch.

High-Power PCB Design-Richtlinien

Wie bereits erwähnt, gibt es beim Design von High-Current PCBs mehrere Aspekte zu beachten. Diese Faktoren sind die Grundlagen, die Sie vor Beginn Ihrer Designs kennen müssen.

Sehen wir uns diese Design-Richtlinien genauer an.

1. Leiterbahnbreite und -dicke

Die PCB-Leiterbahn ist ein wesentlicher Aspekt jedes PCB-Designs. Sie bestimmt den Widerstand Ihrer Schaltung und die Wärmeentwicklung.

Tatsächlich beginnen Sie beim Design eines neuen PCBs mit einer Standard-Leiterbahnbreite. Diese Standardbreite ist jedoch für ein High-Current PCB nicht ausreichend. Daher müssen Sie Ihre Leiterbahnbreite an deren Stromtragfähigkeit anpassen.

High-Current-Boards erfordern dickere Leiterbahnen (im Original: "smaller traces" – Korrektur: für High Current braucht man *breitere/dickere* Traces). Diese nehmen weniger Platz auf der Platine ein und reduzieren Ihre Bauteilgruppe. Andererseits kann die Leiterbahndicke zwischen 35 und 50 Mikrometer liegen, wenn Ihr Betriebsstrom über zehn Ampere beträgt.

Zudem ist es normal, bei der ersten Berechnung ungenaue Ergebnisse zu erhalten. Denn viele Faktoren bestimmen Ihre Leiterbahnbreite, darunter Kupferschichtdicke, Leiterbahnposition etc. Daher kann es ein komplexer Prozess sein.

Glücklicherweise können Sie die Sache mit einem PCB-Leiterbahnbreiten-Rechner vereinfachen.

2. Sie benötigen keine Lötstoppmasken (Solder Masks).

Lötstoppmasken können die Stromtragfähigkeit Ihrer Leiterbahnen dämpfen. Daher müssen Sie das darunterliegende Kupfer freilegen, indem Sie Ihre Lötstoppmasken entfernen. Zweifellos hilft dies, die Stromkapazität Ihres Boards zu erhöhen.

Aber das ist noch nicht alles. Das Entfernen der Lötstoppmasken bedeutet zusätzlichen Lötzinn. Dies können Sie auf die Leiterbahnen der Platine auftragen, um den Widerstand zu minimieren und die Dicke zu erhöhen.

Zudem müssen Sie weder die Leiterbahnbreite erhöhen noch für zusätzliche Kupferdicke bezahlen. Stattdessen hilft das Lötzinn, den Stromfluss zu erhöhen.

3. Kupferbalken (Copper Bars) für sehr hohe Ströme

Kupferbalken retten den Tag in Anwendungen, in denen Kupferleiterbahnen nicht ausreichen. Solche Anwendungen umfassen Hochleistungsinverter oder andere Applikationen, die Ströme über 100 A erzeugen.

Tatsächlich könnte die Verwendung von Kupferleiterbahnen in solchen Schaltungen schwere Schmelzschäden verursachen. Kupfer-Sammelschienen (Copper Bus Bars) sind jedoch langlebiger für den Stromtransport und können die Hitze bewältigen. Der beste Teil: Sie können diese Balken auf PCB-Pads verlöten.

4. Temperaturempfindliche Bauteile thermisch isolieren

Nicht alle elektrischen Bauteile sind robust. Einige sind recht empfindlich gegenüber Hitze oder Temperaturschwankungen.

Was können Sie bei solchen Bauteilen tun? Einfach: Sie können sie thermisch isolieren. Leider drehen sich High-Current-Boards ganz um Hitze, und diese Bauteile wären keine gute Wahl.

Zur thermischen Isolation gehören das Hinzufügen von Platinenausschnitten (Board Cutouts) oder die Verwendung von Thermal-Relief-Verbindungen für Ihre Boards.

5. Kurze Leiterbahnen funktionieren am besten

Kurz gesagt: Je länger Ihre Leiterbahnen, desto höher Ihr Widerstand. Und je höher Ihre Widerstandswerte, desto mehr Leistung verlieren Sie.

Zudem erzeugt Leistungsverlust eine Menge Hitze, was nicht gut für die Lebensdauer der Platine ist. Daher müssen Sie die Leiterbahnen für Ihre High-Current-Boards kurz halten.

6. Mehrere Lagen und Leiterbahnen? Via Stitching nutzen

Manchmal reicht eine Leiterbahn nicht für den benötigten Strom. Diese Situationen treten auf, wenn Ihr Board nur eine einzelne Lage hat.

Interessanterweise können Sie Ihre Leiterbahn auf mehrere Lagen routen und so die Stromkapazität erhöhen. Dabei können Sie Via Stitching nutzen, um Ihre Lagen zu verbinden. Stellen Sie jedoch sicher, dass beide Lagen dieselbe Leiterbahndicke haben.

7. Interne Lagen können High-Current-Pfade schaffen

Sie können nicht immer Platz für dicke Leiterbahnen auf den äußeren Lagen Ihres PCBs haben. Aber Sie können massive Kupferfüllungen (Solid Fills) auf Ihrer internen Boardlage vorsehen.

Machen Sie sich keine Sorgen, wenn Sie High-Current-Bauteile auf Ihren äußeren Lagen haben. Ihre Vias können diese mit Ihren internen Lagen verbinden.

8. High-Current-Bauteile benötigen Polygon Pours

Es gibt spezifische Anwendungen wie Prozessoren und FPGAs, die hohen Stromfluss erfordern. Damit diese Anwendungen funktionieren, müssen Sie hohen Stromfluss in Ihrem PCB aktivieren. Tatsächlich können Sie dies mit Polygon Pours erreichen.

Sie können quadratische Polygon Pours unter Ihrem Chip platzieren und diese mit einem Via verbinden. Anschließend verbinden Sie den Polygon Pour mit Ihren dicken Stromleiterbahnen.

Tipps zur Verbesserung der Layout-Effektivität Ihres High-Current PCBs

Ein erfolgreiches High-Current PCB-Design zu erstellen, ist nicht das Ende der Arbeit. Sie müssen das Design Ihres PCBs verbessern und noch effektiver machen. Hier sind einige Tipps:

Tipp 1: Rechtwinklige Leiterbahnen sind nicht effektiv

Vermeiden Sie die Positionierung Ihrer Leiterbahnen im rechten Winkel, wenn Sie ein verbessertes PCB-Design wünschen. Warum? Weil rechtwinklige Leiterbahnen die Gleichmäßigkeit der Leiterbahnen behindern.

Alternativ können Sie Ihre Leiterbahnen im 45-Grad-Winkel positionieren. So wirken Ihre Designs geräumiger und weniger überladen.

Tipp 2: Wählen Sie Ihre Leiterbahnbreite sorgfältig

Es mag nicht offensichtlich sein, aber die Leiterbahnbreite ist ebenfalls essenziell. Aus diesem Grund müssen Sie sie sorgfältig auswählen.

Eine geeignete Leiterbahnbreite würde den Stromfluss glätten und Ihrem PCB eine effektivere Leistung ermöglichen.

Tipp 3: Abstand ist essenziell! Nutzen Sie ihn angemessen

Platzieren Sie Ihre Bauteile stets korrekt. Erstellen Sie keine Designs, die Ihre Bauteile überladen. Sie würden eine Katastrophe bauen.

Tipp 4: Vermeiden Sie eine einzige Verdrahtungsposition zwischen Lagen

Halten Sie Ihre Verdrahtungspositionen zwischen Ihren Lagen dynamisch. Der Grund ist einfach: Verschiedene Lagen benötigen unterschiedliche Richtungen. Daher würden unterschiedliche Verdrahtungspositionen bessere Ergebnisse erzeugen.

Tipp 5: Fühlen Sie sich frei zum DIY!

Die Standardmethode ist nicht immer die beste Wahl. Daher können Sie stets etwas DIY nutzen, um Ihr PCB-Layout zu verbessern. Schließlich erfordert die Erstellung eines grandiosen Schaltplans die Nutzung aller verfügbaren Werkzeuge.

Vorteile von High-Current Heavy Copper PCBs

Heavy Copper PCBs sind hervorragend für High-Current-Anwendungen, und hier ist der Grund:

• Heavy Copper PCBs besitzen außergewöhnlichen thermischen Widerstand. Daher eignen sie sich besser für High-Speed-, High-Frequency- und raue Temperaturanwendungen.
• Heavy Copper PCBs sind ziemlich langlebig mit hervorragender mechanischer Festigkeit.
• Thermische Leitfähigkeit ist ebenfalls ein Vorteil von Heavy Copper PCBs. Diese PCBs bieten effektive Heat-Sink-Eigenschaften.
• Sie erhalten auch Wärmeableitungsfunktionen von Heavy Copper PCBs. Diese können Überhitzung entgegenwirken und Schäden vermeiden.
• Elektrische Leitfähigkeit? Check! Heavy Copper Boards sind hervorragende Leiter, die gut in der Elektronik funktionieren.

Abschließende Gedanken

Tatsächlich können Sie High-Current-Anwendungen nicht ohne High-Current PCBs bauen. Standard-PCBs können die Hitze nicht bewältigen und würden verbrennen oder zerstört werden.

Diese High-Current-Boards verfügen jedoch über die richtigen Eigenschaften, um Anwendungen zu handhaben, die hohe Ströme erfordern. Sie besitzen auch genügend thermische Haltbarkeit, um die durch hohe Ströme erzeugte Hitze zu verkraften.

Möchten Sie ein High-Current PCB bauen? Kontaktieren Sie uns gerne.