Elektroda.pl
Elektroda.pl
X

Search our partners

Find the latest content on electronic components. Datasheets.com
Elektroda.pl
Please add exception to AdBlock for elektroda.pl.
If you watch the ads, you support portal and users.

Ścieżki zasilania nie powinny zachowywać się jak bezpieczniki

ghost666 19 Jan 2021 18:59 3219 5
  • Jedną z pierwszych praktycznych lekcji, jakich uczą się projektanci obwodów elektronicznych, jest uświadomienie sobie spadku napięcia na ścieżkach zasilających. Jest on prostym iloczynem płynącego prądu i rezystancji ścieżki na płytce drukowanej (PCB) czy też przewodzie. Gdy prądy wzrastają do dziesiątek amperów i więcej, problem spadku I*R staje się bardziej dotkliwy. Nawet niewielka rezystancja na poziomie 50 mΩ spowoduje spadek o 500 mV, co może być dopuszczalne przy napięciach zasilania 24 V, ale prawie na pewno nie w przypadku szyn 1,8 V, 3,3 V czy nawet 5 V. Rozwiązania tego problemu są łatwe do opisania: używaj szerszych ścieżek PCB, grubszej miedzi na PCB, grubszego przewodu czy nawet dodatkowych szyn zbiorczych.

    Istnieje jednak ściśle związana i absolutnie nieunikniona konsekwencja spadku napięcia, która jest często ignorowana przez projektantów obwodów: rozpraszanie mocy I²R i związany z tym wzrost temperatury. Ten problem jest dobrze znany firmom energetycznym i elektrykom. Amerykańskie normy National Electrical Code (NEC) od National Fire Protection Association określają, ile prądu może przepływać przez daną średnicę drutu w różnych warunkach, takich jak temperatura otoczenia, przepływ powietrza w wiązkach kabli w korytkach itp.

    Dlaczego projektant obwodów powinien się tym przejmować? Poniżej opisano dwa przykłady - jeden wysoce zlokalizowany, drugi szeroko rozproszony. Pokazują one, dlaczego rozpraszanie ciepła powinno być brane pod uwagę w projektach obejmujących zarówno małe płytki drukowane, jak i instalacje kablowe PoE (Power over Ethernet).

    Ścieżki zasilania nie powinny zachowywać się jak bezpieczniki
    Rys.1. Mała płytka drukowana z bardzo cienkimi ścieżkami, które działają jak bezpieczniki w czasie przetężenia 10 A.


    Weźmy najpierw przykład małej płytki drukowanej, który jest oparty na osobistych doświadczeniach autora tego artykułu. „Wiele lat temu byłem zaangażowany w projektowanie rutynowej płytki drukowanej, która zawierała szerokie ścieżki do zasilania 5 V dedykowane do prądu 2 A, z niskim spadkiem napięcia. Miała ona jednak także obsługiwać sporadyczne przetężenia do 10 A”. Płytka ta pokazana jest na rysunku 1. „Ścieżki na tej dwuwarstwowej płytce drukowanej (bez warstw wewnętrznych dla wylewek zasilania i uziemienia) z łatwością poradziłaby sobie z wymienionym średnim i szczytowym prądem i myśleliśmy, że wszyscy jesteśmy przygotowani”.

    „Ale nie byliśmy” - wspomina autor. Na płytce drukowanej było jedno miejsce, w którym ścieżki ułożone były bardzo ciasno, a ścieżka szyny zasilającej musiała wykonać ostry zakręt. „Nie ma problemu. Po prostu zawęziliśmy tą ścieżkę do supercienkiej linii na kilka milimetrów długości na zakręcie, a następnie rozszerzyliśmy ją z powrotem do pierwotnego rozmiaru. Wzrost rezystancji DC tam, gdzie to zrobiliśmy, był absolutnie nieistotny w odniesieniu do całości spadku napięcia na ścieżce (…) W rzeczywistości jednak było to znaczące, ale w innym sensie niż rozważaliśmy”.

    Urządzenie zaczynało sprawiać problemy podczas działania i uszkadzało się rozwierając szynę zasilania. Finalnie okazało się, że przepływ prądu o natężeniu 10 A przez ten kawałek ścieżki powodował silnie zlokalizowane nagrzewanie się, a masa termiczna tej ścieżki nie była w stanie wystarczająco szybko rozproszyć tak dużej ilości ciepła.

    W elektronice istnieje termin określający taką fizyczną strukturę: bezpiecznik. Ostry i szybki wzrost prądu w cienkiej ścieżce sprawiał, że ścieżka się przepalała. Nie zdarzało się to za każdym razem, gdy prąd wzrastał, ale tylko co jakiś czas, gdy szybkość narastania przetężenia była odpowiednio duża. Konieczne okazało się naprawienie wszystkich wyprodukowanych płytek poprzez dodanie dodatkowego przewodu, obchodzącego problematyczne miejsce na PCB.

    W przeciwieństwie do tego powolny, stały problem z nagrzewaniem się kabli jest bardziej subtelny i trudniejszy do rozwiązania. Jest to związane głównie z systemami zasilania, wykorzystującymi długie przewody. Pierwszy standard PoE (IEEE 802.3af-2003) ograniczał dostarczaną moc do urządzenia do około 15 W, podczas gdy późniejsza wersja tego standardu (IEEE 802.3bu-2016, często określana jako PoE+) podwaja tę moc do około 30 W. W obu przypadkach prądy i moce są na tyle małe, że rozpraszanie w całym kablu Ethernetowym nie jest większe niż tylko kilka watów.

    Jednak ostatnio ratyfikowana trzecia wersja standardu PoE (IEEE 802.3bt, często nazywana PoE++) oferuje moc do około 100 W, a każdy przewodnik w kablu ma przenosić nawet do 1 A w pewnych okolicznościach; patrz rysunek 2. Ponieważ przekrój drutu w kablu ethernetowym jest bardzo mały, z rezystancją wynoszącą nawet do 12,5 Ω, matematyka łatwo pokazuje, że rozpraszanie takiego kabla może osiągnąć nawet 12,5 W. Ta ilość ciepła nie stanowi problemu dla kabla na wolnym powietrzu, ponieważ rozpraszanie jest rozłożone na całej jego powierzchni i długości, więc ciepło nie jest skoncentrowane w jednym punkcie.

    Ścieżki zasilania nie powinny zachowywać się jak bezpieczniki
    Rys.2. Niedawno zatwierdzona trzecia wersja systemu Power over Ethernet (PoE) zapewnia znaczną moc transmitowaną po cienkich przewodach, co może skutkować nadmiernym nagrzewaniem się i pogorszeniem wydajności, szczególnie w instalacjach z pewnymi ograniczeniami.


    Jednak wiele kabli wykorzystujących PoE nie znajduje się w wolnym powietrzu. Zamiast tego, są ciasno upakowane wraz z kablami prądu przemiennego o większej mocy i biegną w kanałach czy korytkach z niewielkim lub zerowym przepływem powietrza, podczas gdy temperatura otoczenia w budynku, w tych ukrytych obszarach może z łatwością utrzymywać się na poziomie nawet 38⁰C. Dodajmy do tego ciepło z pobliskich linii klimatyzacyjnych czy ogrzewania, a okaże się, że kable PoE mogą się bardzo nagrzać. Nie rozgrzeją się na tyle, aby wywołać pożar, ponieważ izolacja kwalifikowanych kabli jest bardzo odporna na zapłon i nie podtrzymuje pożaru. Jednak wzrost temperatury wpływa na parametry kabli danych, szczególnie w zakresie tłumienia i związanego z tym współczynnika błędu bitowego (BER).

    Niestety, rozwiązania dostępne po fakcie wystąpienia nadmiernego wzrostu temperatury są na ogół bolesne i zwykle wiążą się z pociągnięciem i ponownym ułożeniem kabli. Istnieją standardy opracowane przez NEC i Stowarzyszenie Przemysłu Telekomunikacyjnego (TIA), które odnoszą się do kwestii dopuszczalności kabli, jednak NEC koncentruje się głównie na bezpieczeństwie, podczas gdy TIA koncentruje się na parametrach elektrycznych. Ogólnie rzecz biorąc, normy zalecają złagodzenie wpływu samonagrzewania się poprzez kombinację zmniejszenia rozmiaru zagregowanej wiązki (liczby oddzielnych kabli w jednym miejscu), rozprowadzenia kabla przez otwartą korytko kablowe, aby zapewnić cyrkulację powietrza; i używanie kabla z większym rozmiarem żyły. Wszystko to jest dużo łatwiejsze do wdrożenia na etapie projektowania i instalacji niż późniejsza naprawa problemu.

    Lekcja jest jasna - nawet jeśli spadek napięcia wywołany prądem może nie stanowić bezpośredniego problemu dla układów elektronicznych, to rozpraszanie ciepła wygenerowanego w ten sposób może być problemem na obu krańcach fizycznej manifestacji zjawiska, od małej, prawie niewidocznej mocy rozpraszanej w ciągły sposób do impulsów powodujących przepalanie się ścieżek. Proste obliczenia nie zawsze są tutaj dostateczne i warto sięgnąć czasami po systemy do modelowania płytek, aby upewnić się, że wszystko będzie w porządku w gotowym systemie.

    Źródło: https://www.eetimes.com/dont-let-your-power-rail-become-a-fusible-link/

    Cool! Ranking DIY
    Can you write similar article? Send message to me and you will get SD card 64GB.
    About Author
    ghost666
    Translator, editor
    Offline 
    Fizyk z wykształcenia. Po zrobieniu doktoratu i dwóch latach pracy na uczelni, przeszedł do sektora prywatnego, gdzie zajmuje się projektowaniem urządzeń elektronicznych i programowaniem. Od 2003 roku na forum Elektroda.pl, od 2008 roku członek zespołu redakcyjnego.
    ghost666 wrote 10248 posts with rating 8528, helped 157 times. Live in city Warszawa. Been with us since 2003 year.
  • TermopastyTermopasty
  • #2
    p.mlo
    Level 15  
    Ostatnio w taniej chińskiej ładowarce USB w obwodzie z uzwojeniem pierwotnym transformatora spotkałem się właśnie z takim bezpiecznikiem - zwężeniem ścieżki na PCB.
  • TermopastyTermopasty
  • #3
    mipix
    Level 33  
    Nawiązując do tematu. W płycie indukcyjnej także spotkałem cieńszą ścieżkę mostkującą terminale w miejscu gdzie miała być podstawka bezpiecznika topikowego 5x20mm.
  • #4
    ghost666
    Translator, editor
    mipix wrote:
    Nawiązując do tematu. W płycie indukcyjnej także spotkałem cieńszą ścieżkę mostkującą terminale w miejscu gdzie miała być podstawka bezpiecznika topikowego 5x20mm.


    No to akurat intencjonalne zastosowanie ścieżki jako bezpiecznika. I o ile nie pochwalam ;) to w dobie cięcia kosztów na wszystkim jest w tym jakiś sens...
  • #5
    czareqpl
    Level 30  
    Pierwszy opisany przykład to jakaś tragedia albo kompletny Januszex.
    Jeżeli ścieżka jest przewężona w danym miejscu jest kilka opcji do wyboru:
    -Odkrycie soldermaski i zwiększenie przekroju poprzecznego przez ręczne cynowanie fragmentu ścieżki
    -Dołożenie dwóch warstw wewnętrznych w celu lepszego rozprowadzenia zasilania lub przełożenia sygnałów do warstw wewnętrznych aby ścieżki prądowe były na zewnątrz ze względów termicznych

    No i jak okazało się, że płytki sprawiają problemy to robi się rewizję PCB (w zasadzie powinno to wyjść jeszcze w trakcie procesu R&D).
    Może zakup kamery IR to "must have" przy projektowaniu PCB, no ale jak wspominałem, możliwe, że ta firma to był typowy Januszex.
  • #6
    skywalker2
    Level 12  
    ghost666 wrote:

    No to akurat intencjonalne zastosowanie ścieżki jako bezpiecznika. I o ile nie pochwalam ;) to w dobie cięcia kosztów na wszystkim jest w tym jakiś sens...

    W motoryzacji w przepustnicach DBW ( Drive By Wire ) to nagminnie stosowane rozwiązanie. Przykład : przepustnica EGR w BMW. Po kilku latach użytkowania komutator silniczka zapełnia się pyłem ze szczotek, silniczek zaczyna pobierać większy prąd i w końcu przepala się taki bezpiecznik w formie celowo zwężonej ścieżki. Jak znajdę to wstawię zdjęcie.