Power Plane in PCB's

Elk elektronisch apparaat heeft stroom nodig. De manier waarop stroom door een circuit stroomt, kan echter de prestaties bepalen. Daar komt de power plane om de hoek kijken. Het zijn geen draden of sporen; het zijn grote koperlagen in een printplaat die de stroom gelijkmatig verdelen.

Zie ze als snelwegen. In plaats van auto's transporteren ze elektrische stroom. Zonder deze kabels wordt de stroomtoevoer rommelig en daalt de spanning. Bovendien neemt de ruis toe en worden de signalen zwakker.

Als je ooit te maken hebt gehad met een ruisend circuit of een onstabiele spanning, dan zijn power planes misschien wel het ontbrekende stukje. Laten we het eens allemaal bekijken.

Wat is een Power Plane in PCB-ontwerp?

Een power plane is een massieve koperen plaat in een printplaat. Deze geleidt spanning van de stroombron naar verschillende delen van het circuit.

Het werkt samen met een grondvlak, dat de retourroute vormt. Samen vormen ze een laagimpedantie stroomdistributienetwerk.

Waarom niet gewoon sporen gebruiken? Simpel. Sporen hebben weerstand. Die weerstand leidt tot spanningsval, hitte en interferentie. Een PCB-voedingsvlak daarentegen verdeelt het vermogen over een groot oppervlak. Meer stabiliteit. Minder ruis. Betere prestaties.

Power planes vind je in bijna elke complexe printplaat, van smartphones tot industriële machines. Zonder power planes zouden schakelingen onbetrouwbaar zijn.

Soorten motorvliegtuigen

Niet alle motorvliegtuigen zijn hetzelfde. Hier zijn de belangrijkste typen:

1. Vaste kracht vliegtuig

●      Een volledige koperlaag zonder onderbrekingen.

●      Het beste voor een stabiele stroomverdeling.

●      Vermindert geluid en verbetert efficiëntie.

2. Gesplitst vermogensvlak

●      Verdeeld in secties, elk met een andere spanning.

●      Wordt gebruikt wanneer meerdere vermogensniveaus nodig zijn.

●      Als het niet zorgvuldig is ontworpen, kan het lawaai veroorzaken.

3. Koperen giet-krachtvlak

●      Gebruikt overgebleven koper in plaats van een speciale laag.

●      Het verbetert de vermogensafgifte aanzienlijk, maar is niet zo effectief als een power plane.

●      Veelvoorkomend in circuits met een laag vermogen.

Elk type dient een doel. De juiste keuze hangt af van de behoeften van het circuit.

Veelvoorkomende Power Plane-configuraties

Verschillende circuits vereisen verschillende power plane-configuraties. Hier zijn enkele van de meest voorkomende configuraties:

1. Power Plane Bovengronds Plane

●      Standaard in de meeste PCB-ontwerpen.

●      Vermindert de impedantie en verbetert de signaalintegriteit.

●      Zorgt ervoor dat het vermogen stabiel blijft.

2. Voedings- en grondvlakken op elkaar gestapeld

●      Door ze dicht bij elkaar te plaatsen, wordt de ontkoppeling verbeterd.

●      Het helpt om ruis te filteren.

●      Gebruikt in hogesnelheidscircuits.

3. Meerlaagse krachtvliegtuigen

●      Het wordt aangetroffen in complexe printplaten met meerdere spanningen.

●      Wordt gebruikt in CPU's, GPU's en apparaten met hoge prestaties.

●      Voor dit soort configuraties is een nauwkeurig ontwerp nodig om interferentie te voorkomen.

Elke configuratie heeft zijn voordelen. De juiste keuze hangt af van factoren zoals stroomverbruik en signaalsnelheid.

Waarom motorvliegtuigen belangrijk zijn

Dus waarom doet dit ertoe?

Omdat power planes schakelingen stabieler maken. Ze helpen op verschillende manieren:

1. Betere stroomverdeling

Er zijn geen plotselinge spanningsdalingen of zwakke verbindingen. Het vermogen wordt gelijkmatig over de printplaat verdeeld.

2. Minder lawaai en EMI

Elektromagnetische interferentie (EMI) is een reëel probleem. Een solide voedingsvlak vermindert dit. Het resulteert in schonere signalen en minder fouten.

3. Verbeterde warmteafvoer

Koper geleidt warmte. Elektrische vliegtuigen helpen die warmte te verspreiden en voorkomen hotspots.

4. Sterkere signaalintegriteit

Powerplanes werken samen met groundplanes om soepele retourpaden met minder ruis te creëren. Betere signaalkwaliteit.

Als je circuit problemen heeft met de stabiliteit, kijk dan eerst naar de power planes. Die kunnen de oplossing zijn.

Ontwerpoverwegingen voor het PCB-voedingsvlak

Het toevoegen van een power plane is niet voldoende. Het moet correct ontworpen zijn. Een slecht ontworpen power plane kan meer problemen veroorzaken dan het oplost.

Hier zijn enkele belangrijke dingen waarmee u rekening moet houden:

1. Houd de voedings- en grondvlakken dichtbij

Voeding heeft een retourpad nodig. Daar is het aardvlak voor. Als het voedingsvlak en het aardvlak te ver uit elkaar liggen, kan het circuit ruis oppikken.

Door ze op aangrenzende lagen te plaatsen, ontstaat een natuurlijke condensator. Dit helpt spanningsschommelingen te egaliseren en interferentie te verminderen.

2. Vermijd fragmentatie

Een elektrische schaafmachine moet zo continu mogelijk zijn. Gaten, sneden of scheuren kunnen problemen veroorzaken.

●      Het kan voorkomen dat signalen geen duidelijk retourpad vinden.

●      De spanning kan instabiel worden.

●      EMI kan stijgen.

Als je een power plane moet splitsen (voor meerdere voltages), doe dat dan voorzichtig. Vermijd lange afstanden en zorg voor een vrije retourroute.

3. Gebruik de juiste via-plaatsing

Via's verbinden voedingsvlakken met verschillende lagen. Slecht geplaatste via's kunnen knelpunten veroorzaken, wat leidt tot spanningsdalingen.

Dit is wat helpt:

●      Gebruik meerdere via's voor paden met hoge stroomsterkte.

●      Plaats via's in de buurt van componenten die veel stroom verbruiken om de weerstand te verminderen.

●      Vermijd lange, dunne sporen die verbinding maken met het voedingsvlak.

4. Denk aan thermisch beheer

Vliegtuigen met een hoog vermogen geven warmte af. Dat is goed. Maar als het vliegtuig te veel stroom voert, kan het alsnog oververhit raken.

Om hitte te beheersen:

●      Gebruik dikkere koperlagen (bijv. 2 oz) voor circuits met een hoog vermogen.

●      Voeg thermische via's toe om warmte naar verschillende lagen te verplaatsen.

●      Plaats componenten met een hoog vermogen dicht bij de rand voor betere koeling.

5. Minimaliseer lusgebieden

Hoe groter het lusoppervlak, hoe meer EMI er ontstaat. Door de stroom- en aardeleidingen dicht bij elkaar te houden, wordt de lus kleiner en neemt de interferentie af. Dit is vooral belangrijk in hoogfrequente circuits.

Power Plane versus Ground Plane

Voedings- en aardingsvlakken werken samen, maar ze zijn niet hetzelfde.

Zo vergelijken ze:

Een goed PCB-ontwerp combineert ze dicht op elkaar. Dit creëert een laagohmig stroomnetwerk, wat de schakeling stabieler maakt.

Als het voedingsvlak niet goed is ontworpen, zal het PCB-aardvlak ook niet effectief werken. Beide moeten samen worden geoptimaliseerd.

Conclusie

Een power plane lijkt misschien eenvoudig. Maar het goed doen ervan kan een PCB-ontwerp maken of breken.

Ze verbeteren de stroomstabiliteit, verminderen ruis en verbeteren de signaalintegriteit. Een goed ontworpen powerplane betekent minder problemen in de toekomst.

Als je printplaat last heeft van spanningsval, elektromagnetische interferentie (EMI) of oververhitting, is het voedingsvlak mogelijk de boosdoener. Optimaliseer het, en je circuit zal je dankbaar zijn.